Введение к работе
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 пла-нарной 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 актюа-
торов 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.
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, фк = 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 а=1мкм.
Разработан научный подход к задачам контроля параметров подвижных механических элементов микро- и наносистем при помощи голографиче-ских интерференционных методов повышенной чувствительности.
Практическая значимость работы
Разработанные математические модели НДС УЧЭ преобразователя на основе метода конечных элементов позволяют осуществлять теоретический расчет жесткостных свойств чувствительного элемента любого типа.
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=l мкм) при начальном межэлектродном расстоянии а=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.
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 че-
рез 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 также удобство литографии.
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 наноэлектромеха-нического преобразователя. Разработанный маршрут полностью совместим со стандартным технологическим маршрутом КМОП, что делает возможной однокристальную интеграцию преобразователя с управляющими электронными схемами.
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.).
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 кази-мировские силы.
Результаты расчетов диапазона устойчивого прохода подвижного электрода для различных типов актюаторов, проведенных в рамках данной модели.
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 голо графического 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 2004 г.,
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 "Оп-тика-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, нанотех-нологии 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
