Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ.Широкое развитие полупроводниковой микроэлектроники стало важнейшим фактором современной техники. Методы микроэлектроники, в первую очередь, интегральный характер конструкций и технологий и микроминиатюризация элементов и структур, постепенно охватывают всё более широкий круг устройств и применений.
Перспективным является распространение методов микротёхно-логии на разработку микроминиатюрных устройств, применяемых не только в электронике, но и в других отраслях техники, например, в оптике и оптоэлекгронике - для управления потоками излучений или световыми пучками; в приборостроении - для микроминиатюрных механических устройств типа микророботов, микрогидродинамических устройств охлаждения; микродатчиков, и др., в химической технологии - для мембранных фильтров с улучшенной дисперсией размеров пор или для жестких условий применения, для управления жидкостными или газовыми потоками.
Функционирование подобных микромеханических устройств и приборов базируется на использовании разнообразных физических эффектов механического, оптического, гидродинамического, электрического характера. Публикаций по теоретическим основам создания микромеханических приборов и устройств известно пока мало.
В настоящей работе исследуются микромеханические тонкопленочные приборы (ММП) - микроминиатюрные устройства, использующие для выполнения функций механические свойства своих структурных элементов - механическую прочность, упругость, инерционность .форму. Диапазон размеров ШМ определяется: сверху - возможностями литографической технологии изготовления; снизу - физическими ограничениями, связанными с возможностью образования и сохранения формы структурного элемента.
Основные направления работы - исследование принципов функционирования и создания следующих микромеханических устройств:
- динамических устройств управления положением оптического луча в пространстве (дефлекторы, модуляторы) с быстродействием 5-50 кГц;
- A -
динамические устройства отображения информации, потеци-ально превосходящие жидкокристаллические индикаторы по основным параметрам: быстродействию (постоянная времени до 1><10~6с), экономичности, работе в жестких условиях окружающей среды;
статические мембранные элементы со специальными функциями (прозрачные в БУФ- области и области "мягкого рентгена" ва-куушлогные окна и мембраны);
оптоэлектронные люминесцентные УШ индикации с использованием автоэяектрошой эмиссии электронов,' отличающиеся лучшей эффективностью, быстродействием, технологичностью изготовления.
Методы изготовления микромеханических устройств находятся в стадии начального развития. Автоматический перенос технологии полупроводниковой микроэлектроники на микромеханические структуры еэ возможен, в основном, в связи с объемным их характером. Поэтому исследуются также технологические процессы изготовления структурних элементов указанных ХМ, совместимые с тонкопленочным их исполнением:
лазерные пучкоше технологии;
технологии получения трехмерных тонкопленочных микроструктур ШІ.
В целом, постановка теки диссертации направлена на решение научно-технической проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное эиачение - на создание научно-технических основ разработки оптических, оптоэлектронных и микроэлекгронных приборов, базирующихся на использовании трехмерных тонкопленочных структур.
Результаты, вошедшие в диссертацию,. были получены в ходе разработок, выполнявшихся в соответствии с штанами работ НПО "Восток" и ЫЭП на 1965 - 1982г., межотраслевой программой "Суб-микрон". планами НИР НИЙГАиК в 1985-93г.
Разработка научно- технических основ функционирования, принципов конструирования и изготовления оптических, оптоэлектронных и микроэлектронных приборов, базирующихся на использования тонкопленочкых трехмерных микроструктур.
1. Разработка теории функционирования и методов расчета динамических микрсмеханических оптоэлектрснкых устройств, изготовление устройств и их экспериментальное исследование.
2.Разработка устройств и физико-технических основ изготовления мембранных тонкопленочньк оптических элементов ВУФ и мягкого рентгеновского спектров излучений.
-
Разработка физико-технических принципов создания тонкопленочных мембранных структур большой площади.
-
Разработка теории функционирования и методов расчета основных параметров низковольтных автоэлектронных функциональных приборов эмиссионной электроники, в том числе, индикаторных приборов, использующих в качестве эмиссионных структур трехмерные микроконструкции на подложках; проведение экспериментальных исследований автоэлектронных приборов.
-
Разработка физико-технических принципов создания трехмерных тонкопленочных структур с разрешением до 0.1 мкм, разработка процессов нефотолитографического изготовления таїсих структур.
-
Разработка физико-технических принципов лазерной и плазменной технологии формирования трехмерных микроструктур, неразрушающих процессов обработки мембран, в том числе, формирования пленочных рисунков на мембранах.
теория функционирования и принципы конструирования оптических, оптозлектронных и микроэлектронных приборов, базирующихся -на использовании тонкопленочных трехмерных структур,
физико-технические основы изготовления тонкопленочных микромеханических приборов.
Проводимые исследования основаны на методах интегральной оптики, общих принципах электромеханики, механики деформируемого тела, эмиссионной электроники, физики полупроводников.
-
Исследованы физико-технические основы создания предложенных автором динамических оптоэлектронных устройств с магнитоэлектрическим приводом, отличающихся использованием тонкопленочной структуры подвижных элементов, увеличенным быстродействием и экономичностью выполнения функций модуляции и отклонения световых пучков.
-
Исследованы физико-технические и технологические основы создания предложенных элементов коротковолновой оптики, отличающихся использованием мембранных, прозрачных для коротковолнового излучения тонкопленочных структур: окон ввода технологических пучков иадучения в диапазонах спектра ВУФ (длина волны 0,02+0,1 мкм) и мягком рентгеновском,с обеспечением вакуумной плотности и устойчивости мембран к атмосферному перепаду давлений на окнах.
-
Предложены физико-технические и технологические основы изготовления рентгёношаблонов, отличающихся использованием мембраны большой площади (диаметром 80 мм), совместимой по апертуре с каналами вывода пучков синхротронного излучения (СИ) из накопителей.
4.Впервые исследованы физико-технические основы функционирования и принципы конструирования и изготовления ряда низковольтных автоэлектронных приборов, интегральных схем и функциональных устройств оптоэлектроники и эмиссионной электроники, отличающихся использованием электродной системы в виде трехмерных тонкопленочных структур, сформированных на подложке; выявлены факторы, дестабилизирующие работу устройств, найдены уело-
вия стабилизации их работы в высоком вакууме; обнаружен эффект постоянного самообновления эмиттируюией поверхности трехмерной структуры.
-
Обнаружена возможность существования самостоятельного высоковакуумного разряда в малых зазорах, обусловленного наличием на катодном электроде трехмерной тонкопленочной структуры и электрических полей порядка (1*5)-10s В/см.
-
Предложены принципы конструирования и исследозаны физико-технические основы технологий матричных объемных кикроконс-трукций на подложках, отличающихся использованием тонкопленочных трехмерных структур с большим аспектным отношением их элементов и нелитографическими методами изготовления.
-
Исследованы физико-технические основы предложенного метода реактивного ионно-плазменного травления поверхностных структур тонкопленочных и полупроводниковых приборов, отличающегося анизотропным удалением вещества. Выявлены механизмы травления пленок металлов и соединений кремния с обеспечением избирательного травления.
-
Предложены и исследованы методы пучковых лазерных обработок, отличающихся неразрушащим воздействием на тонкопленочные структуры и подложки; предложена физическая модель образования пленочных осадков в лазерно-пиролитическом наносекундном процессе при атмосферном давлении реагентов; выявлена возможность получения скорости роста осадков на три порядка величины большей в сравнении с плазменными и напылительными используемыми з промышленности процессами; обнаружена возможность пироли-тического выращивания пленок путем последовательного отложения слоев моноатомной толщины; обнаружена зависимость скорости выращивания осадков от термодинамических параметров реагентов и возможность получения в лазерном процессе пленок металлов, не загрязненных примесями из газовой фаза.
-
Предсказан теоретически и зсперимеитально подтвержден эффект удаления лазерным облучением пылевидных загрязнений с поверхностей тонких мембран и подложек; впервые разработаны технологические основы очистки мембран рентгеношаблонов от посторонних пылевидных частиц.
Новизна полученных научных и технических решений защищена 43 авторскими свидетельствами.
Применение трехмерных- тонкоппеночных микроструктур при' создании приборов оптики опто- и микроэлектроники обеспечивает существенное улучшение ряда основных параметров.приборов.
-
Предложенные микромеханические дефлекторы-модуляторы с магнитоэлектрическим управлением, в сравнении с промышленными устройствами,обладают увеличенным ка порядок быстродействием, высокой экономичностью; интегральная технология их изготовления может обеспечить многократное уменьшение стоимости приборов..
-
Зредложенные светоклапанные тонкопленочные устройства, в сравнении с жидкокристаллическими, могут обеспечить индикаторным панелям работоспособность в более широком диапазоне климатических условий, лучшую на-порядок экономичность и быстродействие; вариант конструкции с клиновидным зазором позволяет уменьшить управляющее напряжение до единиц вольт.
-
Результаты исследования тонкопленочных мембранных структур послужили базой для создания окон, прозрачных для излучений в диапазоне 17 - ИОнм, для которого не существует стеклянных и кристаллических окон, и в области 1,5нм, а также для создания подложек рентгеношаблонов большей полезной площади, совместимых с каналами вывода синхротронного излучения из накопительных колец ускорителей.
-
Разработанные автозлектронные микроприборы опто- и микроэлектроники, базирующиеся на применении трехмерных тонкопленочных структур,в сравнении с полупроводниковыми и другими приборами обладают рядом преимуществ: устойчивостью к повышенным-до сотен градусоз - температурам окружающей среды, высоким уровням радиации; безынерционностью включения; потенциально очень высоким быстродействием - до частот инфракрасного диапазона спектра; высокой световой эффективностью при использовании в индикаторах, и др.
Практическая ценность разработанных технологических процессов и обнаруженных эффектов состоит в следующем:
-
Разработанный комплекс технологий формирования на подложках объемных тонкопленочных микроструктур обеспечивает получение требуемой субмикронной и микронной' геометрии элементов структуры более простыми и воспризводимши нелитографическими средствами, чем стандартные методы литографии. Методы могут быть применены в современных разработках налотехнологии.
-
Предложенное реактивное нонноплазменное травление . (РИПТ) позволило получать на подложках глубокие рельефы с отвесными стенгками, что было недостижимо при жидкостном травлении; позволило формировать рисунки в мембранах, не подвергая их опасности разрушения; РИПТ было применено при производстве микросхем памяти взамен жидкостного травления, что привело к существенному улучшению воспроизводимости их изготовления.,
7)Предложенное лазерно-пиролитическое наносекундное нанесение тонкопленочних рисунков позволяет, в отличие от известных лазерных поцессов, наносить пленочные рельефы безреакторным способом при атмосферных условиях, в том числе, на тонкопленочные трехмерные структуры без их разрушения. Процесс применен при ретуши проколов рисунка фото- и рентгеношаблонов, при ре--монте разрывов линий разводки микросхем, ретуши проколов оптических шкал и сеток.
-
Предложенная лазерная очистка поверхностей от пылевидных частиц за счет использования реактивного импульса отдачи -единственный неразрушащий метод очистки от загрязнений тонкопленочных трехмерных структур и тонкопленочных мембран, . например, мембран рентгеношаблонов. Может быть применена также в микроэлектронном производстве . как метод . дистанционной . сухой очистки от частиц размером 0,1-Юмкм, в том числе, в процессах технологических обработок подложек внутри технологичеких аппаратов.
-
Результаты исследования поведения микроэлектродов в высоком вакууме при полях до 5х10%/см и зазорах в единицы - десятки мкм позволили выявить условия стабилизации работы автоэлектронных микроприборов; могут быть также применены при разработках устройств с вакуумной изоляцией - высоковольтных разрядников и переключателей.
ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ осуществлено в следующем виде:
-
В виде результатов НИОКР, использованных при выполнении организациями научно-технических Программ и производстве новых приборов.
-
В виде разработанных технологических процессов и оборудования .переданного заказчикам и использованного ими в текущем производстве и новых разработках.
Результаты исследований по трехмерным тонкопленочным структурам и полупроводниковым фоточуЕствительным автозлектрон-ным структурам, по технологии плазмохимического травления, по мембранным тонкопленочным устройствам,лазерно-пиролитической технологии и лазерной обработке свободных пленок,- использованы в организации НПО "Восток", г.Новосибирск, при выполнении Программ НИОКР по вакуумной микроэлектронике, в технологии изготовления микросхем памяти, при выполнении Программ НИОКР по рент-генолитографической технологии.
* Результаты по разработкам окон- фильтров для ВУФ-излучений использованы в исследованиях по технологии литографии на СИ-из-лучениях в ИЯ$ СО АН СССР, г.Новосибирск.
Технология и установки лазерного рисования, разработанные на базе результатов исследований лазерно-пиролитических процессов, внедрены при ретуши фотошаблонов и оптических шкал и сеток в организациях ПО НПЗ, СКТБ СЭ и АП, г.Новосибирск; НИИИС, г.Нижний Новгород.
