На правах рукописи

Балан Никита Николаевич

РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ И

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ТУННЕЛЬНЫХ

НАНОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальности:

05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты,

микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах;

05.27.06 – Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2011

Работа выполнена в Московском государственном интституте электроники и математики (Техническом университете)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ивашов Евгений Николаевич

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Степанчиков Сергей Валентинович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Васичев Борис Никитович кандидат технических наук, доцент Кузькин Владимир Иванович

Ведущая организация:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (Технический университет)»

Защита диссертации состоится «22» марта 2011 г. в на заседании 11: диссертационного совета Д 212.133.05 Московского государственного института электроники и математики (Технического университета) по адресу: 109028, г. Москва, Б. Трехсвятительский пер., д.3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ Автореферат разослан « 2011 г.

»

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.133.05, кандидат технических наук, доцент Чернов А.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы В последние десятилетия в области микроэлектромеханики произошел значительный качественный скачок, связанный с появлением широкого спектра так называемых микроэлектромеханических систем (МЭМС) – полупроводниковых приборов, совмещающих на одном чипе электронную и механическую части, изготавливаемые в едином технологическом процессе. Современная измерительная МЭМС содержит на одном кристалле, как правило, несколько механических (чувствительных) элементов вместе со сложными электронными схемами управления, преобразования и обработки сигнала, выдающими на выходе информацию об измеряемой величине в цифровой форме.

В качестве перспективного направления развития таких устройств необходимо отметить так называемые НЭМС (НЭМС – «наноэлектромеханические системы»), о которых в настоящее время все чаще встречаются упоминания в литературе. Под НЭМС в данном случае понимаются микросистемы, содержащие в себе элементы, либо сами по себе имеющие нанометровый размер, либо разнесенные друг от друга на расстояния того же порядка. Функционирование НЭМС основано на физических эффектах, наблюдаемых на этих расстояниях, таких, например, как действие атомных сил или туннелирование электронов. По этой причине рассматриваемые в работе туннельные интегральные преобразователи также относятся к классу НЭМС.

В работе также показывается, что выводимое в настоящее время из эксплуатации технологическое оборудование, предназначенное для производства электронных компонентов по технологии КМОП уровня 1,5-0,8 мкм, может быть успешно применено при производстве микро- и наносистем, что открывает дополнительную возможность наиболее рационального его использования.

Из вышеизложенного следует, что задача разработки и оптимизации конструктивных и технологических решений, используемых при создании монолитных туннельных преобразователей, является актуальной и своевременной, так как эти решения позволяют значительно понизить себестоимость отечественных микро- и наноэлектромеханических приборов и дать возможность производить их массовым тиражом.

Цель работы Цель работы состоит в создании научно-технических основ и методов проектирования и изготовления упругих чувствительных элементов (УЧЭ) монолитных наноэлектромеханических преобразователей, допускающих однокристальную интеграцию с управляющими электронными схемами и функционирующих на основе эффекта электронного туннелирования. При производстве указанных приборов должны быть максимально использованы процессы планарной кремниевой технологии, существующие на отечественных предприятиях электронной промышленности.

Основные задачи исследований Разработка математических моделей напряженно-деформированного состояния (НДС) упругих чувствительных элементов (УЧЭ) преобразователей, определяющих жесткостные свойства УЧЭ, а также математических моделей, описывающих физические эффекты, характерные для «глубоко субмикронных» МЭМС или НЭМС.

Разработка технологического маршрута изготовления УЧЭ монолитных туннельных преобразователей, основанного на операциях технологии КМОП, использующихся на отечественных предприятиях.

Отработка специальных процессов технологии изготовления УЧЭ монолитных туннельных преобразователей на экспериментальных тестовых структурах, контроль получаемых структур с использованиием растровой электронной микроскопии (РЭМ), анализ структурных и электрофизических характеристик используемых электродных материалов на различных стадиях технологического процесса с использованием методик и аппаратуры сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), проверка работоспособности получаемых структур при помощи методов электрических измерений, использующихся в микроэлектронном производстве.

Проведение комплекса экспериментальных исследований, направленных на определение упругих свойств полученных диафрагменных структур, с использованием интерференционных оптических методов.

Методы исследований Для решения поставленных задач использовались основные положения квантовой механики, твердотельной электроники и математической физики.

Выполненные теоретико-экспериментальные исследования и практические расчеты базируются на использовании методов вычислительной математики, современных методов программирования и компьютерного моделирования.

Результаты представленных в диссертации экспериментальных исследований получены с использованием методов сканирующей зондовой микроскопии, растровой электронной микроскопии и голографической интерферометрии.

Научная новизна 1. Усовершенствована математическая модель эффекта схлопывания электродов актюатора с управлением электрическим полем в части учета вклада казимировского взаимодействия в эффект схлопывания электродов для актюаторов консольного и диафрагменного типов произвольной геометрии. В рамках данной модели определено, что казимировское взаимодействие начинает оказывать ощутимое влияние на функционирование актюаторов диафрагменного типа уже при достижении межэлектродным зазором величины порядка 0,5 мкм.

2. В рамках усовершенствованной модели проведен анализ эффективности метода минимизации влияния эффекта схлопывания электродов актюаторов, основанного на последовательном включении дополнительной емкости, для актюаторов консольного и диафрагменного типов. Показана невозможность расширения диапазона прохода подвижного электрода на всю величину межэлектродного зазора, обусловленная силовыми взаимодействиями, наблюдаемыми на субмикронных расстояниях. Так, в частности, при оптимальных параметрах используемой емкости (варикап с параметрами СН=0,89пФ, К = 0,25В) в случае консольного актюатора с площадью подвижного электрода 0,25 мм2 и суммарной жесткостью подвесов 0,3 Н/м устойчивый проход подвижного электрода возможен на расстояние не более 0,65 мкм при начальном межэлектродном расстоянии a=1мкм.

3. Разработан научный подход к задачам контроля параметров подвижных механических элементов микро- и наносистем при помощи голографических интерференционных методов повышенной чувствительности.

Практическая значимость работы 1. Разработанные математические модели НДС УЧЭ преобразователя на основе метода конечных элементов позволяют осуществлять теоретический расчет жесткостных свойств чувствительного элемента любого типа.

2. Усовершенствованная математическая модель эффекта схлопывания электродов актюатора с управлением электрическим полем позволяет теоретически оценить эффективность применения того или иного вида актюаторов при построении УЧЭ преобразователя. В частности, было показано, что для актюатора диафрагменного типа, имеющего форму правильного восьмиугольника с поперечным размером D=400 мкм (основной несущий слой – поликремний с толщиной h=1 мкм) при начальном межэлектродном расстоянии a=1мкм величина устойчивого отклонения находится в диапазоне 0,4-0,5 мкм как при использовании дополнительной емкости, так и без нее, что свидетельствует о малой эффективности применения последовательно включенной емкости с целью подавления эффекта схлопывания в актюаторах такого типа.

3. Разработаны специальные технологические процессы, предназначенные для:

формирования ультраострой заготовки для электрода-«иглы» (радиус закругления порядка 10 нм) при помощи комбинации операций изотропного и анизотропного травления кремниевой подложки через нитридную маску с последующим локальным окислением и стравливанием образовавшегося оксида;

формирования свободных поликремниевых диафрагм методом травления «жертвенного слоя» через мелкие технологические отверстия в диафрагме;

формирования электродов туннельного преобразователя на основе тугоплавкого материала – силицида платины, обладающего по сравнению с прочими материалами рядом преимуществ, таких как химическая стойкость, необходимые туннельные характеристики, а 4. На основе процессов стандартного технологического маршрута КМОП, используемого на отечественных предприятиях электронной промышленности, а также ряда перечисленных выше специальных процессов разработан технологический маршрут изготовления интегрального туннельного наноэлектромеханического преобразователя. Разработанный маршрут полностью совместим со стандартным технологическим маршрутом КМОП, что делает возможной однокристальную интеграцию преобразователя с управляющими электронными схемами.

5. Разработанные голографические методики позволяют бесконтактно с точностью до 0,1 мкм измерять смещения диффузно отражающих элементов микромеханических систем различного характера (продольный, поперечный сдвиг, прогиб и т.д.).

6. Предложенные методы повышения чувствительности голографических измерений, основанные на интерференции гармоник высших порядков, рассеянных нелинейной голограммой, а также на использовании цифровых регистраторов с последующей компьютерной обработкой результатов, позволяют повысить точность измерения до единиц нанометров.

Достоверность результатов Достоверность проведенных теоретических исследований и представленных в работе экспериментальных результатов обеспечивается строгим математическим обоснованием предлагаемых подходов, результатами компьютерного моделирования, использованием современных экспериментальных методик, а также согласованностью полученных результатов с теоретическими и экспериментальными данными, имеющимися в российской и зарубежной литературе.

Реализация и внедрение результатов работы Теоретические и практические результаты работы внедрены в практику разработки полупроводниковых микро- и наноустройств в НИИ микроэлектроники и информационно-измерительной техники, применяются при проведении научно-исследовательских и технологических работ в НИИ перспективных материалов и технологий, а также используются в учебном процессе МИЭМ на кафедре «Технологические системы электроники», что подтверждается соответствующими актами.

Основные положения, выносимые на защиту Усовершенствованная математическая модель эффекта схлопывания электродов актюаторов микро- и наноэлектромеханических систем с управлением электрическим полем, учитывающая как электрические, так и казимировские силы.

Результаты расчетов диапазона устойчивого прохода подвижного электрода для различных типов актюаторов, проведенных в рамках данной Разработанные специальные технологические процессы и маршрут изготовления интегрального туннельного наноэлектромеханического преобразователя, включающий в себя эти процессы.

Результаты экспериментов (с использованием туннельной микроскопии, атомно-силовой микроскопии с измерением сопротивления растекания, сканирующей электронной микроскопии) по определению структурных и электрофизических свойств получаемых структур, проводимых на различных этапах отработки технологического маршрута.

Методика голографического экспериментального исследования упругих свойств подвижных элементов микроэлектромеханических систем и результаты проведенных экспериментов.

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и научных сессиях:

• на Научных сессиях МИФИ в 2002, 2003, 2004, 2005 и 2006 годах, • на Всероссийской научной конференции студентов-физиков ВНКСФ-10 в • на Международной конференции «Фундаментальные проблемы опто- и микроэлектроники» АРСОМ-2004 в 2004 г., • на Международном форуме «Голография. ЭКСПО-2004» в 2004 г., • на 4 Международной конференции молодых ученых и специалистов "Оптика-2005" в 2005 г., • на Международной конференции по микро- и наноэлектронике ICMNE-2005 в 2005 г.

• на 1-ой Всероссийской конференции по многомасштабному моделированию процессов и структур в нанотехнологиях "ММПСН 2008" в 2008 г.

• на 12-й Международной конференции "Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы" в 2010 г.

• на Международной конференции-семинаре по микро-, нанотехнологиям и электронным приборам EDM-2010 в 2010 г.

• на 7-й Международной конференции «Аморфные и поликристаллические полупроводники» AMS-2010 в 2010 г.

Публикации По теме диссертации опубликовано 23 научных работы, в том числе 3 работы опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованных источников, включающего 135 наименований и приложения. Общий объем работы 186 страниц, из которых основная часть составляет 158 страниц, включая 42 иллюстрации и 2 таблицы, приложение 28 страниц, куда входят маршрутные карты (сопроводительные листы) технологических маршрутов изготовления тестовых структур, послойная разбивка топологии тестовых структур и акты внедрения результатов работы.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и вытекающие из нее задачи исследования. Определены объекты и методы исследований. Изложены научная новизна и практическая значимость, сформулированы положения, выносимые на защиту. Приведено краткое содержание работы по главам.

Глава 1 посвящена анализу современного состояния работ по МЭМС и НЭМС в мире и в России, в частности, работ по созданию различных туннельных преобразователей, а также преобразователей на основе эффекта холодной электронной эмиссии. Описываются их типы и конструкции. Отмечается возможность построения эмиссионных преобразователей, производимых по планарной технологии с применением ряда специфических технологических процессов. Так, например, в качестве особенности современного технологического процесса изготовления интегральных эмиссионных катодов, отмечается необходимость использования операции химико-механической планаризации, а для создания современных планарных латеральных МЭМС и НЭМС как общего, так и специального применения обсуждается возможность использования структур «кремний-на-изоляторе», полученных методом «сращивания» кремниевых пластин (Wafer bonding). С учетом проведенных обзорно-аналитических работ намечены пути теоретических и экспериментальных исследований.

В Главе 2 описываются математические модели НДС УЧЭ туннельного преобразователя, построенные на основе метода конечных элементов и предназначенные для определения жесткостных свойств УЧЭ.

Конечноэлементное уравнение движения в общем случае выглядит следующим образом:

где [K ] и {F } – матрицы жесткости и сил ансамбля, а { } – узловые степени даваемых в виде [cij ] = [ Ni ] µ [ N j ]dV, [mij ] = [ Ni ] [ N j ]dV.

Матрица [mij ] известна как матрица масс элемента, а матрица ансамбля [M ] – как матрица масс системы. Матрица [C ] описывает вязкое демпфирование, [N ] – функции формы элемента, е – номер элемента. Интегрирование производится по объему e-го элемента.

Если рассматривается динамическая задача без демпфирования ( [C ] = 0 ), то собственные частоты колебаний пластины определятся из условия:

где f n – n-я собственная частота.

Глобальная матрица жесткости системы [K ] определяется по формуле [ K ij ] = [ Bi ][ D ][ B j ]dV, где интегрирование ведется по всей области.

Матрица [B ] связывает обобщенные деформации по всей пластине со степенями свободы в узлах: { } = [ B]{ }, а матрица [D] – обобщенные напряжения с обобщенными деформациями: { } = [ D]{ }.

Предложенный метод был использован для вычисления значений максимального статического прогиба УЧЭ диафрагменного типа под действием приложенной разности потенциалов в приближении малых прогибов (предполагая, что нагрузка не изменяется при изменении межэлектродного зазора), а также для расчета частоты основного тона ее собственных колебаний. В частности, для трехслойной диафрагмы (толщины слоев: поликремний – 1 мкм, Ti – 100 нм, Pt – 250 нм) в форме правильного восьмиугольника с поперечным размером D = 2000 мкм резонансная частота основного тона, расчитанная согласно предложенной модели, составила f0=3050 Гц. Прогиб такой диафрагмы под действием электростатической нагрузки V=0,35 В составляет wmax=0,22 мкм (при исходном межелектродном расстоянии a = 1,5 мкм).

В целях определения оптимальной конструкции чувствительного элемента был проведен анализ эффекта схлопывания электродов (pull-in-instability) актюатора с управлением электрическим полем УЧЭ туннельного преобразователя и методов подавления данного эффекта.

В случае простейшего актюатора (пластина на упругом подвесе – Рис.1) уравнение равновесия имеет следующий вид:

Здесь k – жесткость упругого подвеса, 0 – электрическая постоянная, относительная диэлектрическая проницаемость среды, a – начальное расстояние между подвижным и неподвижным электродами, S – площадь электрода, V – прикладываемое напряжение, p – внешнее давление.

Переходя к безразмерным переменным W = w / a, P = ( pS) (ka), Анализ последнего уравнения показывает, что для описанной системы при P = 0 расстояние, пройденное подвижным электродом до точки схлопывания, w Кр = a / 3 или W Кр = 1 / 3. Этому расстоянию соответствует критическое значение напряжения V Кр = 0,183 10 6 ka 3 S.

Рис.1. Схематическое изображение простейшего актюатора с управлением электрическим полем (пластина на упругом подвесе) для анализа эффекта схлопывания электродов:

а) приложение отклоняющего напряжения непосредственно к электродам;

б) использование последовательно включенной емкости Одним из самых простых и удачных с точки зрения технологической реализации методов увеличения значения WКр (и, следовательно, сведения к минимуму влияния эффекта неконтролируемого электростатического притяжения) является последовательное включение в цепь дополнительной емкости (конденсатора или варикапа) С1 (рис.1, б).

Графики зависимостей W от для разных значений и P ( = С0 С1 ) приведены соответственно на рис.2. При использовании конденсатора емкостью С1 = С 0 2 наблюдается устойчивое отклонение подвижного электрода на всю величину начального межэлектродного зазора при P = 0. Приложение положительной внешней нагрузки P тоже частично подавляет эффект неконтролируемого электростатического схлопывания.

При использовании для борьбы с эффектом схлопывания полупроводникового варикапа, емкость CВ которого находится в следующей зависимости от тактная разность потенциалов, а СН – емкость варикапа при нулевом напряжении, W и удовлетворяют уравнению:

Рис.2. Зависимости W от для пластины на упругом подвесе при P = 0 в случае приложения управляющего напряжения через последовательно включенный конденсатор для различных значений и P:

1, 4, 7 – =0.5 соответственно при P = 0,4, P = 0 и P = -0,4;

При достижении элементами микросистем субмикронных и нанометровых размеров, ощутимое влияние на их работу начнут оказывать силовые взаимодействия, слабо проявляющиеся на расстояниях порядка единиц микрон. К этим силам могут быть отнесены силы Ван-дер-Ваальса и Казимира, которые являются основными учитываемыми взаимодействиями в атомно-силовой микроскопии. Они также должны быть приняты во внимание при расчете устройств с элементами, разнесенными друг от друга на субмикронные расстояния, если же расстояния между элементами уменьшатся до единиц или десятков нанометров, эти силы будут полностью определять работу прибора. В частности, казимировское взаимодействие начинает оказывать ощутимое влияние на функционирование некоторых актюаторов диафрагменного типа при достижении межэлектродным зазором величины около 0,5 мкм.

Эффект Казимира выражается в том, что на единицу площади двух проводящих плоскопараллельных пластин действует сила притяжеa 4, где с – скорость света в вакууме, h – постоянная ния FС = h с Планка, a – расстояние между пластинами, 1 – коэффициент, зависящий от диэлектрической проницаемости пластин и среды между ними (для сверхпроводящих пластин в вакууме = 1 ).

Был произведен расчет влияния эффекта схлопывания электродов на функционирование электростатических актюаторов консольного и диафрагменного типа. Показано, что подавлениие эффекта схлопывания путем использования последовательно включенных конденсатора или варикапа эффективно лишь в случае актюатора консольного типа, кроме того, полное подавление невозможно по причине возрастания влияния казимировских сил на малых (десятые доли мкм) межэлектродных расстояниях.

Рис.3. Зависимости максимального прогиба wmax от управляющего напряжения VИ с учетом казимировского взаимодействия:

а) актюатор консольного типа с площадью подвижного электрода 0,25 мм2 и суммарной жесткостью подвесов 0,3 Н/м при начальном межэлектродном расстоянии a=1мкм: 1 – приложение управляющего напряжения непосредственно к электродам;

2 – использование варикапа (1=0.63, К = 0.25 В); 3 – использование конденсатора б) актюатор диафрагменного типа в форме правильного восьмиугольника с поперечным размером D=400 мкм (основной несущий слой – поликремний с толщиной h= мкм) с жестким закремплением краев при начальном межэлектродном расстоянии a=1мкм: 1 – приложение управляющего напряжения непосредственно к электродам;

2 – использование конденсатора (С1=0.7пФ) Таким образом, для актюатора консольного типа с площадью подвижного электрода 0,25 мм2, с суммарной жесткостью подвесов 0,3 Н/м и при использовании варикапа с параметрами СН=0,89пФ, К=0,25В устойчивый проход подвижного электрода возможен только лишь на расстояние не более 0,65 мкм при начальном межэлектродном расстоянии a=1мкм (рис.3, а), тогда как для актюатора диафрагменного типа, имеющего форму правильного восьмиугольника с поперечным размером D=400 мкм (основной несущий слой – поликремний с толщиной h=1 мкм) с жестким закремплением краев при начальном межэлектродном расстоянии a=1мкм величина устойчивого отклонения находится в диапазоне 0,4-0,5 мкм как при использовании дополнительной емкости, так и без нее (рис.3, б).

Глава 3 посвящена разработке технологии изготовления чувствительных элементов диафрагменных туннельных преобразователей. Описана поэтапная отработка технологических процессов формирования УЧЭ. Разработка технологии разделена на несколько этапов, в процессе каждого из которых производится полный цикл технологических операций, разработанных на текущий момент.

После их проведения осуществляется контроль полученного изделия с использованием ряда аналитических методов (РЭМ-анализ, СЗМ-исследования, исследования электрофизических характеристик). По результатам контроля вырабатываются рекомендации к следующему этапу отработки технологического процесса.

Изготовление экспериментальных образцов на первом этапе отработки технологического процесса проводилось в соответствии с разработанным в рамках данной работы базовым технологическим маршрутом производства планарных НЭМС, включающим в себя преимущественно стандартные технологические операции кремниевых ИС.

Основные стадии изготовления поликремниевого УЧЭ диафрагменного типа, являющегося частью туннельного преобразователя, изображены на рис.4.

На первой стадии в кремниевой подложке путем ряда технологических операций формируется рельеф, в данном случае состоящий из углубления и ультраострой заготовки для электрода-иглы, после чего на структуру наносится изолирующий слой нитрида кремния (рис.4, а-б).

Далее наносится металлизация иглы и отклоняющего электрода, затем – «жертвенный» слой (фосфоросиликатное стекло – ФСС или борофосфоросиликатное стекло – БФСС) (рис.4, в-г), верхняя граница которого совпадает с острием иглы, что достигается либо при помощи оплавления поверхности стекла, либо посредством химико-механической планаризации. Эти операции необходимы, в частности, по причине конформного осаждения ФСС (или БФСС), когда его рельеф повторяет рельеф покрываемой поверхности. Было бы недопустимо оставлять поверхность «жертвенного» слоя не планаризованной, так как ее рельеф определяет форму наносимой позднее поликремниевой диафрагмы.

На поверхность планаризованного «жертвенного» слоя осаждается дополнительный слой окисла, задающий начальное расстояние между диафрагмой и электродом-иглой, после чего наносится слой металлизации (рис.4, д), на который наносятся изолирующий слой и основной слой поликремния, обеспечивающий жесткостные свойства диафрагмы (рис.4, е).

ОБОЗНАЧЕНИЯ:

Рис.4. Основные стадии процесса изготовления диафрагменного УЧЭ туннельного преобразователя После травления «жертвенного» слоя ФСС (рис.4, ж) через специально предусмотренные технологические отверстия, промывки и высушивания чувствительный элемент туннельного преобразователя может считаться сформированным.

В процессе отработки технологии формирования УЧЭ был разработан ряд специальных технологических процесов.

К ним относятся процесс формирования кремниевого микрорельефа «иглы» (рис.5) посредством комбинации изотропного плазмохимического и анизотропного реактивно-ионного травления с дальнейшим локальным окислением (отрабатывался на первом этапе), формирование проводящих электродных слоев на основе силицида платины (отрабатывалось на втором этапе), а также получение свободных поликремниевых диафрагм методом травления «жертвенного слоя» через мелкие технологические отверстия в диафрагме.

Для получения в кремниевой подложке микрорельефа в виде «иглы» высотой около 2 мкм и радиусом закругления острия ~ 10 нм был использован технологический процесс, включающий следующие операции:

- формирование комбинированной маски из фоторезиста и нитрида кремния с размерами (в плане) 2 х 2 мкм;

- изотропное плазмохимическое травление (ПХТ) кремния на глубину 0,6 – 0, мкм (с одновременным подтравливанием под край маски примерно на ту же величину;

- анизотропное реактивно-ионное травление (РИТ) кремния через ту же маску на глубину 1,2 – 1,4 мкм (рис.5, а);

- «заострение» иглы путем локального термического окисления кремния через ту же нитридную маску на глубину, равную половине оставшейся после комбинированного травления ширины вершины кремниевого «столбика»

(рис.5,б-в).

Рис.5. Основные стадии изготовления ультраострых кремниевых «игл» методом комбинированного изотропного плазмохимического и анизотропного реактивно-ионного травления:

после операций изотропного плазмохимического и анизотропного реактивноа) ионного травления (РИТ) монокристаллического кремния через маску из фоторезиста и нитрида кремния: 1 – пластина монокристаллического кремния; 2 – «заготовка» для формирования иглы (монокристаллический кремний); 3 – маска из нитрида после операции локального окисления кремния через нитридную маску с целью «заострения» иглы: 1 – окисленная поверхность пластины монокристаллического кремния; 2 – двуокись кремния («игла» внутри); 3 – Si3N4;

игла после операции «заострения» и стравливания выращенного слоя SiO2 (в данв) ном случае смыкания «фронтов» термического окисления не произошло) На начальном этапе разработки технологии формирования рисунка металлизации в качестве материала проводящего слоя электродов «иглы» и диафрагмы была выбрана платина как по причине химической стойкости, так и из за необходимости проведения технологических операций при высоких температурах (650-950°С). Однако при проведении высокотемпературной операции «планаризационного» оплавления БФСС при температуре 850°С произошло массовое отслаивание пленки платины, особенно на более протяженных участках металлизации в области полевого управляющего электрода и на контактных площадках.

При этом местами наблюдался отрыв пленки платины вместе с лежащим ниже слоем нитридной изоляции. Это говорит о том, что причиной отслаивания платиновой металлизации является не столько проблема адгезии пленки платины, сколько механические напряжения, возникающие при высокотемпературной операции оплавления БФСС из-за значительной разницы между коэффициентами термического расширения кремния и металлической платины.

На основании данных результатов возникла необходимость продолжить поиск подходящего материала, содержащего в своем составе атомы «благородного» металла и обладающего достаточной термостойкостью по отношению к последующим технологическим операциям, а также необходимой химической стойкостью. Выбор был сделан в пользу силицида платины, нашедшего применение в таких изделиях твердотельной электроники, как силовые диоды Шоттки или ИК-фотоприемники. Этот материал образуется в результате твердофазной реакции металлической платины с монокристаллическим или поликристаллическим кремнием, обладает достаточной для данного прибора электрической проводимостью и устойчив к термообработке до 830°С.

Для исследования структурных (размер зерна и микрорельеф поверхности) и электрофизических (сопротивление растекания) характеристик электродов из силицида платины были изготовлены экспериментальные образцы тестовой структуры чувствительных элементов туннельного преобразователя с электродами из силицида платины в соответствии со скорректированным технологическим маршрутом. Исследования поверхности образцов методами СЗМ проводились до (рис.6,а-б) и после (рис.6,в-г) температурной обработки образца при 850С. Топография поверхности исследовалась в полуконтактном режиме АСМ.

Измерение сопротивления растекания проводилось при использовании зонда с платиновым покрытием при прилагаемом напряжении U = +3,5В в контактном режиме АСМ.

Морфология поверхности неоднородна с образованием конгломератов 60200 нм. На картине сопротивления растекания до термообработки видны образования величиной 1080 нм (тёмные включения), которые были интерпретированы как неэлектропроводные области, сформированные выходом на поверхность кремния с последующим окислением. Латеральные (по поверхности) конгломераты 0,10,3 мкм на площади 1мкм1мкм коррелируют с областями более высокой электропроводности. Картина сопротивления растекания после термообработки показывает низкую проводимость поверхности (I < 0,2 нА при U = +2,5 В), однако на ней присутствуют проводящие включения размером 1015 нм.

По результатам исследований был сделан вывод о том, что пленки силицида платины обладают необходимыми характеристиками для использования их в качестве электродов чувствительного элемента туннельного преобразователя.

Однако после температурной обработки при 850°С происходит значительная перекристаллизация и рост зерен силицида платины, обладающих необходимой проводимостью, с одновременным увеличением площади плохо проводящих участков поверхности. Поэтому максимальная температура последующих технологических операций не должна превышать 830°С – температуры плавления эвтектического состава силицида платины. Измерения проводились на СЗМ Solver P47 (NT-MDT, Зеленоград).

Рис.6. СЗМ-изображения топографии и сопротивления растекания для пленки силицида платины до (а,б) и после (в,г) термообработки После операции «освобождения» диафрагм путем жидкостного химического травления «жертвенных» слоев ФСС и двуокиси кремния (SiO2) в буферном растворе на основе фтористого аммония и плавиковой кислоты были получены целые диафрагмы и балочные структуры во всех вариантах чувствительных элементов, отличающихся размерами диафрагмы (от 200 до 2000 мкм), а также при различных значениях толщины поликристаллического кремния (1, мкм и 2,4 мкм), образующего основу подвижного элемента (рис. 7). По результатам РЭМ-анализа и электрофизических измерений были выработаны рекомендации для третьего этапа отработки технологического процесса в части оптимизации режимов отдельных технологических операций процесса.

Рис.7. РЭМ-снимки диафрагменного (а) и балочного (б) упругих чувствительных элементов туннельного преобразователя, изготовленных по технологическому маршруту второго этапа Глава 4 посвящена методикам экспериментального определения величины микросмещений повижных элементов МЭМС под действием заданных нагрузок с привлечением методов голографической интерферометри. На базе этих методик проводится комплекс экспериментальных исследований, направленных на определение упругих констант используемых материалов. Необходимость в этом обусловлена тесной зависимостью параметров материала от технологии изготовления микромеханического изделия. Обсуждается возможность построения метрологического оборудования, реализующего описанные методы и предназначенного для выходного тестирования готовых изделий.

Для проведения измерений предлагается схема, приведенная на рис.8.

Свет от гелий-неонового лазера 1 делится на предметный и опорный пучки посредством делителя 2, зеркала 5 и расширительных систем 3 и 6. Предметный пучок рассеивается тестовым объектом 7 и, пройдя через микрообъектив 8, попадает на фотопластинку 9, на которую также посредством зеркала 4 подается опорный пучок. Изображение объекта и получаемые интерферограммы наблюдались с помощью системы наблюдения 10-11.

На описаной экспериментальной установке были проведены эксперименты по определению величины смещения диффузно отражающего объекта как целого в его плоскости. Смещение производилось при помощи микровинтов. В общем случае плоскость локализации интерференционных полос в голографической интерферометрии может не совпадать с плоскостью объекта.

В частности, при сдвиге объекта как целого полосы локализуются в бесконечности, то есть могут наблюдаться в фокальной плоскости линзы. По расстоянию между полосами можно судить о величине смещения объекта.

Рис.8. Общий вид и схема голографической экспериментальной установки Наблюдаемые интерферограммы изображены на рис.9. Интерференционные полосы, образующиеся при трансляции объекта как целого, локализованы на бесконечности, то есть наблюдаются в задней фокальной плоскости линзы.

Величина смещения объекта оценивалась по формуле:

где – длина волны излучения, dfp – измеренное расстояние между полосами, f – фокусное расстояние системы наблюдения.

Полученные полосы перпендикулярны вектору смещения. Таким образом, по ориентации полос определяется направление сдвига, а по расстоянию между ними – величина сдвига. По результатам эксперимента dfp = 0,15 ± 0,01 см. Следовательно, Lx = (2,1 ± 0,1)·10-4 см. При помощи микровинта объект смещался на 2±0,5 мкм.

Рис.9. Исследуемый объект и полученные интерферограммы:

исследуемый объект;

интерференционные полосы, образовавшиеся в результате сдвига объекта в его плоскости при помощи микровинта на 2 мкм (локализованы за объектом);

интерферограмма при фотосъемке с малой апертурой системы наблюдения.

Для повышения точности измерений в работе был проведен анализ путей усовершенствования голографических методик контроля микросмещений диффузно отражающих элементов МЭМС, основанных как на использовании гармоник высших порядков, дифрагированных нелинейной голограммой, так и на применении цифровых голографических методов. Рассматривалась внеосевая голографическая схема с изменением угла падения предметного пучка (при методе двух экспозиций). Восстановленное изображение, содержащее интерференционные полосы, возникающие как из-за деформации структуры, так и из-за перемены угла падения предметного пучка, фотографируется на второй пластине, которая, после проведения процесса нелинейного проявления превращается в модулированную дифракционную решетку с несинусоидальным профилем, имеющую множество порядков дифракции (гармоник). Освещение данной решетки двумя плоскими волнами с дальнейшей фильрацией гармоник позволяет получить интерферограмму, отражающую прогиб тестовой структуры с повышенной чувствительностью.

Регистрация первичной голограммы на цифровой фотосенсор позволяет реализовать повышение точности измерения смещений микрообъектов без привлечения описанных интерферометрических методик, требующих записи нелинейной голограммы сфокусированного изображения. Голограмма, зарегистрированная на матричном приемнике, может быть введена в компьютер, и дальнейшее восстановление волнового поля осуществляется математически, при этом отдельно может быть выделено как амплитудное, так и фазовое распределение восстановленного поля.

Однако, цифровая регистрация, помимо своих преимуществ (оперативность записи, отсутствие химических процессов), обладает рядом специфических особенностей, делающих невозможным корректное восстановление информации о записанном волновом фронте в случае внеосевой голографической схемы, подразумевающей наличие несущей в распределении интенсивности в плоскости регистратора.

Поэтому для построения голографической установки, осуществляющей цифровую регистрацию волновых фронтов с последующей компьютерной обработкой, необходима реализация специфических оптических схем, реализующих, например, т.н. «метод фазовых шагов», свободный от названного недостатка, и позволяющий осуществлять прецизионные измерения смещений и деформаций диффузно отражающих микрообъектов с точностью до тысячных долей длины волны используемого излучения.

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационного исследования.

В Приложении приведены материалы, подтверждающие использование результатов диссертации, а также маршрутные листы технологических процессов и послойная разбивка топологии тестовых структур.

Основные результаты и выводы 1. На базе выполненных обзорно-аналитических исследований показано, что разработка технологии изготовления твердотельных интегральных микро- и наномеханических преобразователей, допускающих однокристальную интеграцию с электронными схемами управления, съема и предобработки сигнала, является необходимой задачей для решения научно-технических проблем, стоящих перед отечественной микро- и наноэлектроникой.

2. Предложена математическая модель напряженно-деформированного состояния УЧЭ туннельного преобразователя сложной геометрии, построенная на основе метода конечных элементов и позволяющая теоретически оценивать жесткостные свойства УЧЭ любого типа. В частности, для трехслойной диафрагмы (толщины слоев: поликремний – 1 мкм, Ti – 100 нм, Pt – 250 нм) в форме правильного восьмиугольника с поперечным размером D = 2000 мкм резонансная частота основного тона, расчитанная согласно предложенной модели, составила f0=3050 Гц. Прогиб такой диафрагмы под действием электростатической нагрузки V=0,35 В составляет wmax=0,22 мкм (при исходном межелектродном расстоянии a = 1,5 мкм).

3. Усовершенствована модель эффекта схлопывания электродов преобразователя, в части учета силовых взаимодействий, проявляющихся на малых расстояниях. В рамках данной модели для нескольких вариантов электростатических актюаторов проанализирован метод подавления электростатического схлопывания, основанный на использовании последовательно включенной емкости.

Результаты расчетов для двух типов актюаторов показали невозможность расширения диапазона прохода подвижного электрода на всю величину межэлектродного зазора, обусловленную силовыми взаимодействиями, наблюдаемыми на субмикронных расстояниях (силы Казимира). Тем не менее, наилучшие результаты указанный метод показал для актюаторов консольного типа, соответствующих простейшей из рассматриваемых моделей подвижного элемента преобразователя (пластина на упругом подвесе). Для консольного актюатора с площадью подвижного электрода 0,25 мм2, с суммарной жесткостью подвесов 0, Н/м и при использовании варикапа с параметрами СН=0,89пФ, К = 0,25В устойчивый проход подвижного электрода возможен только лишь на расстояние не более 0,65 мкм при начальном межэлектродном расстоянии a=1мкм, тогда как для актюатора диафрагменного типа, имеющего форму правильного восьмиугольника с поперечным размером D=400 мкм (основной несущий слой – поликремний с толщиной h=1 мкм) при начальном межэлектродном расстоянии a=1мкм величина устойчивого отклонения находится в диапазоне 0,4-0,5 мкм как при использовании дополнительной емкости, так и без нее.

4. Предложен и реализован технологический маршрут изготовления чувствительного элемента туннельного преобразователя, основанный на базовых операциях технологии КМОП. В рамках реализации предложенного маршрута отработаны следующие специальные технологические процессы:

формирование электродов туннельного преобразователя на основе тугоплавкого материала – силицида платины, обладающего по сравнению с прочими материалами рядом преимуществ, таких как химическая и термическая стойкость и необходимые туннельные характеристики;

формирование ультраострых кремниевых «игл» с высотой 1,5 мкм и радиусом закругления острия порядка 10 нм;

формирование свободных диафрагм методом травления «жертвенного 5. Проведенные СТМ эксперименты подтвердили приемлемость туннельных характеристик силицида платины для его использования в качестве электродного материала чувствительного элемента преобразователя (Vbias = 0,3 В, It = 25 пA). Однако эксперименты по измерению сопротивления растекания (АСМ с проводящим кантилевером) показали, что после термообработки при температуре 850°С материал практически полностью теряет свои проводящие свойства изза выхода на поверхность зерен кремния и последующего их окисления в процессе перекристаллизации силицидной пленки. Исходя из данных результатов было рекомендовано для выравнивания поверхности «жертвенного слоя» использовать операцию химико-механической планаризации, что позволиляет обойтись без высокотемпературных обработок. Другое приемлемое решение состоит в использовании в качестве жертвенного слоя борофосфоросиликатного стекла, имеющего температуру оплавления ниже температуры плавления эвтектики силицида платины (830°С).

6. Реализованы голографические интерференционные методики определения упругих свойств подвижных элементов МЭМС путем точного измерения микросмещений диффузно отражающих объектов под действием известных нагрузок. Проведенные эксперименты позволили измерить величину смещения диффузно отражающего микрообъекта как целого в его плоскости с точностью 0,1 мкм. Анализ интерферометрических методов с использованием гармоник высших порядков, дифрагированных нелинейной голограммой, а также цифровых голографических методов показал, что их применение позволяет повысить точность измерения смещений изучаемых объектов до единиц нанометров.

Таким образом, в результате выполненной работы были разработаны базовые конструктивные и технологические решения, позволяющие создать принципиально новые твердотельные приборы на основе квантовых эффектов – монолитные туннельные нанопреобразователи. На основе таких приборов могут быть построены измерительные системы нового поколения (акустические, акселерометрические и т.д.), обладающие повышенной чувствительностью и широким динамическим диапазоном.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Балан Н.Н. Резонансная модель чувствительной части акустических туннельных сенсоров [Текст] / Н.Н. Балан // Научная сессия МИФИ-2002: Сб.

науч. тр., Москва, 21-25 янв. 2002 г. – М. : МИФИ, 2002. – Т.4. – С. 189.

2. Балан Н.Н. Голографический интерференционный микроскоп для измерения смещений микрообъектов [Текст] / Н.Н. Балан, А.О. Груздев, А.А. Маркилов, В.Г. Родин, С.Н. Стариков // Научная сессия МИФИ-2003: Сб.

науч. тр., Москва, 27-31 янв. 2003 г. – М. : МИФИ, 2003. – Т.4. – С. 217-218.

3. Балан Н.Н. Использование голографического интерференционного микроскопа с фурье-каскадом для определения упругих констант поликремневых пленок [Текст] / Н.Н. Балан, А.О. Груздев, А.А. Маркилов // Научная сессия МИФИ-2003: Сб. науч. тр., Москва, 27-31 янв. 2003 г. – М. : МИФИ, 2003. – Т.8.

– С. 302-303.

4. Балан, Н.Н. Голографическая микрометрия подвижных элементов MEMS-структур [Текст] / Н.Н. Балан //Микросистемная техника. –2003. – №12.

– С. 28-31.

5. Балан Н.Н. Измерение микросмещений MEMS-структур методом голографической интерферометрии повышенной чувствительности [Текст] / Н.Н.

Балан, В.Г. Родин, С.Н. Стариков // Научная сессия МИФИ-2004: Сб. науч. тр., Москва, 26-30 янв. 2004 г. – М. : МИФИ, 2004. – Т.4. – С. 250-252.

6. Балан Н.Н. Применение голографического интерференционного микроскопа для наблюдения гармонических колебаний объектов микромеханики [Текст] / Н.Н. Балан, А.О. Груздев // Научная сессия МИФИ-2004: Сб. науч. тр., Москва, 26-30 янв. 2004 г. – М. : МИФИ, 2004. – Т.4. – С. 253-254.

Балан Н.Н. Измерение упругих констант MEMS-материалов при помощи голографической интерферометрии повышенной чувствительности [Текст] / Н.Н. Балан, В.Г. Родин, С.Н. Стариков // 10-я всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ-10: Тр. 10-й всероссийск. науч. конф., Москва, 1-7 апр. 2004 г. – М.: МГУ, 2004. – Ч.2. – С. 565-566.

8. Балан Н.Н. Измерение микросмещений MEMS-структур методом голографической интерферометрии повышенной чувствительности [Текст] / Н.Н.

Балан, В.Г. Родин, С.Н. Стариков // 4-я Азиатско-Тихоокеанская международная конференция «Фундаментальные проблемы опто- и микроэлектроники»

(АРСОМ-2004): Тр. 4-й Азиатско-Тихоокеанская междунар. конф., Хабаровск, 12-16 сент. 2004 г. – Хабаровск: ИАПУ ДВО РАН, 2004. – С. 122-123.

9. Балан Н.Н. Определение упругих свойств подвижных элементов MEMS-структур [Текст] / Н.Н. Балан // Микросистемная техника. –2004. – №2. – С. 14-19.

10. Балан Н.Н. Повышение точности голографических измерений параметров MEMS-NEMS-структур путем использования нелинейных эффектов [Текст] / Н.Н. Балан // Микросистемная техника. –2004. – №7. – С. 15-19.

11. Балан Н.Н. Измерение микросмещений MEMS-структур методом голографической интерферометрии [Текст] / Н.Н. Балан, А.О. Груздев, В.Г. Родин, С.Н. Стариков // 1-й международный научно-практический форум «Голография.

ЭКСПО – 2004»: Тезисы докладов 1-го международного науч.-практ. форума, Москва, 19-22 окт. 2004 г. – М.: ВВЦ, 2004. – С. 73-74.

12. Balan N.N. Measurement of MEMS structures microshiftings by holographic interferometry with increased sensitivity [Текст] / N.N. Balan, V.G. Rodin, S.N. Starikov // Proc.SPIE. –2005. – v.5851. – P. 319-326.

13. Балан Н.Н. Измерение упругих констант MEMS-материалов методом голографической интерферометрии [Текст] / Н.Н. Балан, А.О. Груздев // 4-я международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2005»: Тезисы докладов 4-й междунар. конф., Санкт-Петербург, 17-21 окт. 2005 г. – Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2005. – С. 202-203.

14. Balan N.N. Probe metrology of MEMS-structures [Текст] / N.N. Balan, S.S. Gavrin, A.O. Gruzdev, S.A. Morozov // International conference «Micro- and nanoelectronics -2005»: Book of abstracts, 3-7 oct. 2005. – Moscow Zvenigorod, Russia: SPIE, 2005. – P. OI-10.

15. Balan N.N. SPM-control of structural and electrical properties for PtSilayers of electrode metallization in tunneling sensor [Текст] / N.N. Balan, A.O. Gruzdev, A.B. Nevsky, V.D. Frolov // International conference «Micro- and nanoelectronics -2005»: Book of abstracts, 3-7 oct. 2005. – Moscow Zvenigorod, Russia: SPIE, 2005. – P. PI-11.

16. Балан Н.Н. Измерение модуля упругости балочных структур методами сканирующей зондовой микроскопии [Текст] / Н.Н. Балан, А.О. Груздев, Д.Ю. Обижаев, С.С. Гаврин // Научная сессия МИФИ-2006: Сб. науч. тр., Москва, 23-27 янв. 2006 г. – М. : МИФИ, 2006. – Т.1. – С. 68-69.

17. Балан Н.Н. Контроль структурных и электрофизических свойств пленок SiPt-металлизации электродов туннельного датчика методами сканирующей зондовой микроскопии [Текст] / Н.Н. Балан, А.О. Груздев, А.Б. Невский, С.С.

Гаврин // Научная сессия МИФИ-2006: Сб. науч. тр., Москва, 23-27 янв. 2006 г.

– М. : МИФИ, 2006. – Т.1. – С. 70-71.

18. Балан Н.Н. Моделирование работы НЭМС туннельного сенсора [Текст] / Н.Н. Балан, Ю.А. Волков // Всероссийская конференция «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях ММПСНСб. науч. тр. конф., Москва, 12-14 марта 2008 г. – М.: МИФИ, 2008. – С. 26.

19. Балан Н.Н. Численное моделирование МЭМС- и НЭМС-устройств с управлением электрическим полем [Текст] / Н.Н. Балан, Ю.А. Волков // Всероссийская конференция «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях ММПСН-2008»: Сб. науч. тр. конф., Москва, 12-14 марта 2008 г. – М. : МИФИ, 2008. – С. 48.

20. Балан Н.Н. Методы минимизации внутренних напряжений сжатия в поликремниевых подвижных элементах МЭМС [Текст] / Н.Н. Балан, Е.Н. Ивашов, А.Б. Невский //12-я Международная конференция «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы»: Сб. науч. тр. конф., Ульяновск, 14-17 июня 2010 г. – Ульяновск: УлГУ, 2010. – С. 248.

21. Балан Н.Н. Использование пленок силицида платины в качестве материала металлизации элетродов монолитных туннельных сенсоров [Текст] / Н.Н. Балан, Е.Н. Ивашов, А.Б. Невский //12-я Международная конференция «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы»: Сб. науч. тр.

конф., Ульяновск, 14-17 июня 2010 г. – Ульяновск: УлГУ, 2010. – С. 246.

22. Balan N.N. Platinum silicide as electrode material of microfabricated quantum electron tunneling transducers [Текст] / N.N. Balan, E.N. Ivashov, A.B.

Nevsky // 11th International Conference and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices EDM-2010: Book of abstracts, 30jun.-4jul. 2010. – Novosibirsk, Russia: IEEE, 2010. – P. 159-164.

23. Балан Н.Н. Применение силицидных проводящих слоев в элементах МЭМС и НЭМС [Текст] / Н.Н. Балан, Е.Н. Ивашов, А.Б. Невский //7-я Международная конференция «Аморфные и микрокристаллические полупроводники»:

Сб. науч. тр. конф., СПб., 28 июня-1 июля 2010 г. – Санкт-Петербург: ФТИ им.

Иоффе РАН, 2010. – С. 120.