автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Исследование процесса изготовления кантилевера с улучшенными характеристиками для сканирующей зондовой микроскопии

На правах рукописи

АЛЕКСЕЙЧУК АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

Исследование процесса изготовления кантилевера с улучшенными характеристиками для сканирующей зондовой

микроскопии

Специальность 05.27 06 - Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003177116

Работа выполнена на кафедре материалов и процессов твердотельной электроники Московского государственного института электронной техники (технического университета)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Раскин А А

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Рыжиков И В

кандидат технических наук, с н с , доцент Савельев В А

Ведущая организация

Московская государственная академия тонкой химической технологии им М В Ломоносова

Защита состоится /<2 2007г

на заседании диссертационного совета Д 212 134 03 при Московском государственном институте электронной техники по адресу 124498, Москва, г Зеленоград, проезд 4806, дом 5, МИЭТ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ Автореферат разослан " У/ 2007г Соискатель Алексейчук А В

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук,—-профессор _Яковлев В Б

Общая характеристика работы

Актуальность работы

В последнее время исследователи стали уделять пристальное внимание новой перспективной области - наноэлектронике Ее развитие немыслимо без разработки методов исследования и диагностики свойств поверхности твердых тел с нанометровым разрешением К эффективным относятся методы исследования на основе сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), в том числе методы, в которых применяются микромеханические зонды, так называемые кантилеверы

Однако широкое использование СЗМ сдерживается рядом существующих проблем В частности, одним из наиболее критичных элементов метода является кантилевер, от характеристик которого в значительной степени зависят результаты измерений В настоящее время существующие конструктивно - технологические варианты изготовления кантилеверов не позволяют создать образцы, в полной мере удовлетворяющие все возрастающим требованиям исследователей

Кантилевер представляет собой микрозонд в виде упругой консоли, на свободном конце которой сформирована острая игла

Разрешающая способность СЗМ определяется следующими основными параметрами кантилевера радиус кривизны острия иглы,

- высота иглы,

- аспектное соотношение иглы, шероховатость на обратной стороне консоли,

Именно поэтому, тема диссертации посвящена разработке технологии изготовления кантилеверов, которая позволит изготавливать кантилеверы с улучшенными характеристиками Представленная в диссертации методика расчета напряженно - деформированных состояний трехслойной консоли в условиях сферического изгиба, вызванного изменением температуры, позволит проводить анализ, необходимый для выбора материала и толщины управляющей части консоли В связи с вышеизложенным тема диссертации является актуальной

Целью диссертационной работы является разработка новой технологии изготовления кантилеверов с улучшенными характеристиками, а также разработка методики, позволяющей определять напряженно - деформированные состояния трехслойной

консоли кантилевера в условиях сферического изгиба, вызванного изменением температуры Разработанная методика позволит рассчитывать изгиб трехслойной консоли, а также проводить анализ, необходимый для выбора оптимального материала управляющей части консоли

Исходя из вышеуказанной цели, основными задачами работы являются

исследования по разработке технологии, позволяющей изготавливать кантилеверы с улучшенным аспектным соотношением игл,

- разработка технологического маршрута с использованием электрохимического травления с целью изготовления кантилеверов с улучшенными характеристиками,

разработка методики для определения напряженно деформированного состояния трехслойной консоли кантилевера в условиях сферического изгиба, вызванного изменением температуры, которая позволит рассчитывать изгиб трехслойной консоли, а также проводить анализ, необходимый для выбора оптимального материала управляющей части консоли

Научная новизна работы

- впервые предложен процесс формирования иглы кантилевера с улучшенным аспектным соотношением,

- разработан технологический маршрут изготовления кантилевера с улучшенными характеристиками для сканирующей зондовой микроскопии,

- впервые предложена методика для определения напряженно -деформированного состояния трехслойной консоли кантилевера, позволяющая обеспечить выбор оптимального материала и толщины для управляющей части консоли

Практическая значимость диссертационной работы

- изготовлены иглы кантилеверов с улучшенными характеристиками для сканирующей зондовой микроскопии, которые также можно использовать в устройствах эмиссионной электроники,

- предложен технологический маршрут изготовления кантилевера, преимущество которого состоит в следующем

1) консоль кантилевера формируется электрохимически с автоматической остановкой процесса травления, что обеспечивает однородность получаемых мембран по толщине, а также гарантирует минимальный разброс по параметрам кантилевера,

2) для автоматической остановки процесса травления консоли кантилевера не требуется высокая степень легирования кремния, которая негативно влияет на дефектность получаемой иглы кантилевера,

3) величина коэффициента отражения от консоли кантилевера соответствует современным высоким требованиям, поскольку шероховатость на участке под иглой составляет всего лишь 4-6 нм,

- разработанная в рамках данной работы методика расчета напряженно - деформированных состояний трехслойной консоли в условиях сферического изгиба, вызванного изменением температуры, позволяет проводить анализ, необходимый для выбора материалов управляющей части консоли

Основные положения, выносимые на защиту

- процесс формирования иглы кантилевера с улучшенными характеристиками,

- формирование консоли кантилевера диффузией фосфора и электрохимическим стоп-травлением,

- методика расчета напряженно - деформированных состояний трехслойной консоли в условиях сферического изгиба вызванного изменением температуры

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на 6 научно-технических конференциях

1 "Микроэлектроника и информатика - 2003" 10 - я Всероссийская межвузовская научно - техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2003 г

2 "Микроэлектроника и информатика - 2004" 11 - я Всероссийская межвузовская научно - техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2004г

3 "Нанотехнологии и фотонные кристаллы - 2004" 2 - ой межрегиональный семинар, Россия, Калуга, 15-17 марта, 2004г

4 "Электроника и информатика", пятая Международная научно-техническая конференция, Зеленоград, 2005г

5 "Микроэлектроника и информатика", четырнадцатая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Зеленоград, 2001т

6 "Материалы и устройства функциональной электроники и микрофотоники", тринадцатая Международная научно - техническая конференция, Москва, 2007г

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов по работе, содержит 124 страницы машинописного текста включая 4 таблицы, 72 рисунка и список использованных источников из 54 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы Рассматривается необходимость исследования и изготовления кантилеверов с улучшенными характеристиками, также рассматривается актуальная методика о напряженно - деформированных состояниях трехслойной консоли в условиях сферического изгиба, вызванного изменением температуры Сформулирована научная новизна и практическая значимость, а также положения, выносимые на защиту

В первой главе приведены основные виды зондовой микроскопии, такие как сканирующая зондовая микроскопия, атомно - силовая микроскопия, сканирующая туннельная микроскопия и др Показаны схемы и основные принципы работы зондовых микроскопов, также в данной главе представлены наиболее часто использующиеся типы кантилеверов Из первой главы следует, что наиболее перспективной в изготовлении кантилеверов является групповая технология

Вторая глава посвящена описанию условий формирования р - п -перехода в кремниевых пластинах, используемых для изготовления консоли кантилевера

Представлены современные данные по аппаратуре для исследования основных параметров кантилеверов

В разделе 2 1 рассмотрен процесс диффузии, который играет огромное значение, так как именно этим процессом создается р - п -переход, который впоследствии служит стоп - слоем при формировании консоли кантилевера электрохимическим травлением

Диффузия бора и фосфора в кремнии представляет собой сложный технологический процесс, поэтому в данном разделе подробно описан данный процесс с указанием используемых материалов, химреактивов, а также условий проведения этого процесса, приведена упрощенная схема диффузионной установки В данном разделе приведена оценка качества технологического процесса, то есть, рассмотрены контрольные операции процесса, основные измеряемые параметры и методики их оценки

В разделе 2 2 Рассматривается растровый электронный микроскоп (РЭМ), который используется при проведении измерений параметров кантилеверов, основным достоинством которого является возможность просмотра образцов при разных увеличениях с очень быстрым переходом от одного увеличения к другому

В данном разделе рассматриваются различные компоненты электронно-оптической системы, определяется зависимость между током электронного зонда и размером пятна, а также обсуждаются факторы, определяющие эту зависимость, а это, в свою очередь, играет огромное значение при исследовании образцов, имеющих микро - и нанометровые размеры, в частности кантилеверов

Третья глава посвящена исследованию и разработке технологии, позволяющей изготавливать кантилеверы с улучшенными характеристиками

Раздел 3 1 посвящен исследованию процесса формирования иглы кантилевера с улучшенными характеристиками

Ведущие производители кантилеверов Digital Instalments, Micromasch, Nanosensors, Olympus, NT-MDT изготовляют кантилеверы, которые характеризуются недостаточно высоким аспектным соотношением иглы кантилевера и других параметров

Поэтому нами были проведены исследования по изготовлению иглы

кантилевера, с целью улучшения ее параметров угла при вершине иглы, радиуса округления острия иглы, аспектного соотношения.

В работе исследовали процесс формирования иглы кантилевера, используя различные формы маскирующих покрытий (круглое маскирующее покрытие, квадратное маскирующее покрытие, квадратное маскирующее покрытие, усеченное под углами 150° и 120°), но полученные в ходе исследования значения параметров иглы кантилевера не позволяют в полном объеме решать задачи исследования поверхностей с нанометровым рельефом

В ходе дальнейшего исследования были проведены эксперименты по формированию иглы кантилевера в два этапа с использованием маскирующего покрытия квадратной формы, усеченного под углами 135° Новизной разработанной технологии является не только использование данного маскирующего покрытия, но и травление иглы кантилевера в два этапа

Сначала пластина со сформированными на ней маскирующими покрытиями травилась в 75% растворе КОН при температуре 145-150°С до удаления маскирующего покрытия

Затем пластина со сформированными на ней иглами травилась в растворе 50% КОН при температуре 80-90°С до достижения оптимальных параметров иглы кантилевера В результате эксперимента была получена игла представленная на рис 1

Рис. 1 Игла кантилевера, полученная при использовании маскирующего покрытия квадратной формы, усеченной под углами 135°, при травлении в

два этапа.

В таблице 1 представлены данные сравнительного анализа параметров игл кантилеверов, изготовленных нами, с параметрами игл кан-тилеверов известных производителей.

Таблица 1 Данные параметров игл кантилеверов изготовленных нами, с данными других производителей

Название производителя Угол при вершине иглы, град Высота иглы, мкм Радиус округления острия иглы, нм

Digital Instruments 12 5-7 <10

Micromasch 30 20-25 < 10

Nanosensors 20 15-20 < 10

Olympus 15 7-16 < 15

NT-MDT 22 10-15 <10

Собственная разработка -15-17 20-25 <10

Из данных таблицы 1 следует, что иглы, полученные с использованием предложенной нами технологии, имеют более высокое аспектное соотношение, а также по совокупности параметров превосходят иглы кантилеверов, изготовленных другими производителями

Раздел 3 2 посвящен исследованию процесса изготовления кантилевера с использованием электрохимического травления

Весьма жесткие требования, предъявляются также к качеству (шероховатость, отсутствие рельефа и тд) обратной стороны консоли

кантилевера, поэтому разработка технологии изготовления кантилевера играет решающее значение

В ходе работы были проведены исследования с целью разработки технологического процесса получения кантилевера, включающего диффузию фосфора и электрохимического стоп-травления

Преимущества этой технологии заключаются в следующем

консоль кантилевера формируется электрохимически с автоматической остановкой процесса травления, что обеспечивает однородность получаемых мембран по толщине и гарантирует небольшой разброс по параметрам кантилевера,

- для автоматической остановки процесса травления не требуется высокая степень легирования кремния, которая негативно влияет на дефектность получаемой иглы кантилевера,

- из-за отсутствия лунки под иглой и минимальной шероховатости величины коэффициента отражения от консоли кантилевера соответствуют высоким требованиям

Ключевым моментом в предлагаемой технологии является электрохимическое стоп-травление Сущность процесса заключается в том, что в структурах кремния р-типа с тонким п-слоем возможна автоматическая остановка травления в области р-п-перехода Остановка травления происходит из-за анодной пассивации поверхности кремния при подаче положительного потенциала на тонкий п-слой При достижении р-п-перехода на границе кремниевая пластина - травящий раствор резко возрастает дырочная проводимость

Вследствие этого скорость разрядки на анодной поверхности гидроксильных групп с образованием атомарного кислорода увеличивается, что приводит к быстрому окислению поверхности кремния и прекращению травления

Травление р-кремния необходимо проводить в области анодной пассивации п-кремния Потенциал пассивации, зависящий как от типа легирования, так и от уровня легирования, температуры и концентрации травителя, устанавливается экспериментально

Травление проводилось в 40% растворе КОН при температуре 75 -85°С в герметичной фторопластовой кассете Контакт с травителем осуществлялся через нейтральный никелевый электрод

Омический контакт к кремнию (п-слою) формировался методом магнетронного напыления алюминия

В процессе травления регистрировалась сила тока в электрохимической цепи между п-кремнием и никелевым электродом (1п-№) (рис 2)

50 100 150 200 250

Т МИН

Рис 2 Зависимость силы тока от времени

При достижении р- п- перехода значение силы тока резко снижается и затем постепенно стабилизируется Стабилизация силы тока соответствует окончанию процесса травления

В процессе работы были также исследованы вольт - амперные характеристики для электрохимического травления кремния р - и п -типов, кристаллографической ориентации (100) (рис 3) В ходе эксперимента было установлено оптимальное значение потенциала пассивации слоя кремния п - типа (ППп) равное -0,7 В

а зв / X ППр

0 18 - ' / 5 / / 5 1 / 1

0 ■1 8 •У 1 (

; поц -0 7 0 и. в

Рис 3 Зависимость плотности тока от напряжения при электрохимическом травлении кремния р - п - типа (100)

ППп - потенциал пассивации кремния п - типа, ППр - потенциал пассивации кремния р - типа, ПОЦ - потенциал открытой цепи

Технологический маршрут.

I. Формирование знаков совмещения (двухсторонняя фотолитография).

1 Формирование партии по степени прогиба пластин

2 Полная химическая отмывка пластин от органических и неорганических загрязнений и от ионов металлов

3 Термическое окисление пластин (8Ю2 - 0,6мкм)

4 Фотолитография знаков совмещения по 8Ю2

5 Жидкостное травление 8Ю2

6 Плазмо - химическая очистка (ПХО) от фоторезиста

7 Химическая отмывка пластин от загрязнений, а так же от следов фоторезиста

8 Жидкостное травление (т^^Осекунд, глубина травления 2,5 - Змкм)

9 Удаление маскирующего покрытия

II. Формирование иглы кантилевера

1 Химическая отмывка пластин

2 Термическое окисление пластин (БЮг - 0,6мкм)

3 Осаждение 81зТЧ4 (0,12мкм)

4 Фотолитография по (фотолитография маскирующего покрытия в форме квадрата усеченного под углами 135°)

5 Плазмохимическое травление Бь^ с лицевой стороны пластины

6 Жидкостное травление 8Ю2 с лицевой стороны пластины (происходит формирование маскирующего покрытия в форме квадрата, усеченного под углами 135°)

7 Травление фоторезиста в Н2804

8 Жидкостное травление кремния (78% раствор КОН, 1=136 - 138 °С)

9 Жидкостное травление Б^Т^ в Н3Р04

10 Жидкостное травление 8Ю2

11 Контроль игл на растровом электронном микроскопе (РЭМ)

III. Диффузия фосфора 1 Химическая отмывка пластин

2 Термическое окисление пластин (БЮг - 0,6мкм)

3 Осаждение (0,12мкм)

4 Фотолитография консоли

5 Плазмохимическое травление 813К4 с лицевой стороны пластины

6 Жидкостное травление 8Ю2 с лицевой стороны пластины

7 Травление фоторезиста в Н2804

8 Химическая отмывка пластин

9 Диффузия фосфора (глубина диффузии 5 - бмкм)

10 Жидкостное травление Бь^ в Н3Р04

11 Жидкостное травление 8Ю2

IV Формирование маскирующего покрытия для формирования консоли, окон для электрохимического травления.

1 Химическая отмывка пластин

2 Термическое окисление пластин (8Ю2 - ОДмкм)

3 Осаждение 813К4 (0,12мкм)

4 Фотолитография консоли кантилевера

5 Плазмохимическое травление 81зИ4 с лицевой стороны пластины

6 Плазмо - химическая очистка от фоторезиста

7 Химическая отмывка пластин

8 Термическое окисление пластин (8Ю2 - 0,бмкм)

9 Жидкостное травление 8Ю2 в течение 1 - 2 мин

10 Фотолитография с обратной стороны пластины (фотолитография окон для последующего проведения электрохимического травления)

11 Плазмохимическое травление 813Ы4 с обратной стороны пластины

12 Жидкостное травление 8Ю2 с обратной стороны пластины

13 Плазмо - химическая очистка от фоторезиста

14 Химическая отмывка пластин

15 Плазмохимическое травление 8131Ч4 с лицевой стороны пластины

16 Жидкостное травление 8Ю2 с лицевой стороны пластины до 81

17 Химическая отмывка пластин

V. Формирование мембран

1 Осаждение А1 на лицевую сторону пластины (0,2 - 0,3мкм)))

2 Электрохимическое травление с обратной стороны пластины в герметичной фторопластовой кассете до п+ - слоя

3 Жидкостное травление А1 (травитель Ш\Ю3, ц=40°С) VI. Формирование консоли кантилевера

1 Химическая отмывка пластин

2 Жидкостное травление кремниевой мембраны

3 Жидкостное травление 813Ы4 в Н3Р04

4 Жидкостное травление БЮг до

5 Химическая обработка пластин

6 Термическое окисление (8Ю2 - 0,3мкм)

7 Скрайбирование пластин алмазным диском,

8 Очистка пластин от кремниевой крошки

9 Жидкостное травление 8Ю2

10 Химическая отмывка пластин

11 Разбраковка кантилеверов и контроль их параметров, РЭМ -контроль

Разработанный в ходе исследования технологический маршрут позволил реализовать следующие параметры

1 Уменьшить шероховатость на обратной стороне консоли кантилевера, которая составляет 4 - 6 нм на участке под иглой,

2 Реализовать следующие параметры иглы кантилевера

- высота иглы от 20 до 25 мкм,

- радиус округления острия иглы кантилевера - <10 нм,

- угол при вершине иглы кантилевера - 15 -17°,

Таким образом, разработанная технология дает возможность изготавливать кантилеверы с улучшенными параметрами Полученные результаты можно использовать не только при создании кантилеверов, но и в устройствах эмиссионной электроники

Четвертая глава посвящена разработке технологии изготовления управляемого кантилевера и методики расчетов сферического изгиба консоли кантилевера в зависимости от температуры

В разделе 4 1 приведена разработанная методика расчета сферического изгиба кантилеверов в зависимости от температуры Методика позволяет не только рассчитывать изгиб трехслойной консоли, но также дает возможность выбора оптимального материала и толщины для управляющей части консоли (резистора) В данном разделе проведен расчет для некоторых материалов управляющего слоя (резистора) из которых можно сделать следующие выводы

1 С точки зрения приращения температуры ДТ трехслойной консоли кантилевера наиболее предпочтительны для слоя металлизации консоли алюминий и медь, в меньшей степени для этого подходит -вольфрам Это объясняется наибольшими значениями ТКЛР у алюминия и меди и наименьшими - у вольфрама

2 Значения изгибающего момента М (соответственно и напряжения изгиба) наименьшие у слоя из алюминия и золота, наибольшие - из вольфрама

3 С уменьшением толщины управляющего слоя увеличивается необходимая температура нагрева АТ Особенно резко эта тенденция выражена для вольфрама, что объясняется существенно большим, чем у остальных металлов, модулем упругости Е

4 Увеличение толщины управляющего слоя повышает значения изгибающего момента, что особенно ярко выражено в случае вольфрама

5 Типичный характер распределения напряжений по толщине всех слоев пластины представлен на рис 4, из которого видно, что в основное влияние оказывают напряжения изгиба, причем большую опасность представляют положительные напряжения, а именно - а1Шах

СТзт

Нейтральный слой

/

ЧОтт

СТ„

-/

СХ1ГП1П

Рисунок 4 Эпюра распределения напряжений в слое пластины при ее термической деформации

6 В связи с относительно малыми толщинами слоев ЭЮг и металла напряжения в них по толщине изменяются незначительно и могут быть охарактеризованы средними значениями о2т и а3т

7 Средние значения напряжений в слое 8Ю2 всегда положительны и для управляющих слоев из А1, Аи и Си практически одинаковы и не зависят от толщины

8 Напряжения в управляющем слое для всех вариантов расчета отрицательны и наибольшие по модулю Наименьшие и почти одинаковые значения у слоев из А1 и Си, существенно большие у слоев изУ/

9 Предельные значения напряжений в слое Бг для управляющего слоя из алюминия, золота и меди практически одинаковы и не зависят от толщины управляющего слоя Для вольфрамового управляющего слоя наибольшие напряжения растяжения ст1тах в слое меньше, чем для остальных рассмотренных металлов, но заметно возрастают с увеличением толщины

10 По совокупности предыдущих выводов в качестве материала управляющего слоя следует рекомендовать в первую очередь А1 и Си при толщине 0,07 - 0,10 мкм

В разделе 4 2 Представлен технологический маршрут изготовления многобалочного управляемого кантилевера

Основные результаты и выводы:

1 Проведен анализ литературных источников по основным видам зондовой микроскопии, а так же по основным типам кантилеверов

2 Определены условия формирования р - п - перехода в кремниевых пластинах, используемых для изготовления консоли кантилевера

3 Представлены современные данные по аппаратуре для исследования основных параметров кантилеверов

4 Предложенный процесс формирования иглы кантилевера позволяет изготавливать иглы с улучшенными характеристиками

5 Разработанная технология изготовления кантилеверов для сканирующей зондовой микроскопии обеспечивает следующие преимущества

1 Консоль кантилевера формируется электрохимически с автоматической остановкой процесса травления, что обеспечивает

однородность получаемых мембран по толщине, а так же гарантирует минимальный разброс по параметрам кантилевера

2 Для автоматической остановки процесса травления консоли кантилевера не требуется высокая степень легирования кремния, которая негативно влияет на дефектность получаемой иглы кантилевера

3 Величина коэффициента отражения от консоли кантилевера соответствует современным высоким требованиям, поскольку шероховатость на участке под иглой составляет всего лишь 4 - 6 нм

6 Предложенная методика расчета напряженно деформированных состояний трехслойной консоли в условиях сферического изгиба, вызванного изменением температуры, позволяет проводить анализ, необходимый для выбора материала и толщины для управляющей части консоли

7 Представлен технологический маршрут изготовления многобалочного управляемого кантилевера

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1 Алексейчук А В Разработка технологии изготовления балочной микроконструкции с использованием электрохимического стоп -травления // Тезисы докладов десятой всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2003", Зеленоград, 2003,с 100

2 Алексейчук А В Исследование процесса изготовления иглы кантилевера // Тезисы докладов одиннадцатой всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2004", Зеленоград, 2004г, с 5

3 Алексейчук А В, Исследование процесса изготовления многобалочного управляемого кантилевера // Тезисы докладов двенадцатой всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2005", Зеленоград, 2005г, с 121

4 Раскин А А , Алексейчук А В , Николаева Л П , Мартынович О В , Исследование процесса изготовления иглы для нанотехнологии // Нанотехнология и фотонные кристаллы Материалы второго межрегионального семинара, Калуга - Москва, 2004г ,с 71-74

5 Алексейчук А В, Исследование процесса изготовления многобалочного управляемого кантилевера // Тезисы докладов пятой Международной научно-технической конференции "Электроника и информатика-2005", Зеленоград, 2005г , с 90

6 Алексейчук А В, Батюня Л П, Раскин А А, Особенности технологии изготовления кантилеверов // Известия вузов Электроника №1,2005г, с 92-93

7 Алексейчук А. В, Особенности технологии изготовления игл кантилеверов с улучшенным аспектным соотношением // Материалы всероссийской конференции инновационных проектов аспирантов и студентов "Индустрия наносистем и материалы", Москва, Зеленоград, 2006 г, с 8-10

8 Алексейчук А В , Разработка методики расчета деформации трехслойной консоли в условиях сферического изгиба вызванного изменением температуры // Тезисы докладов четырнадцатой всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2007", Зеленоград, 2007г, с 26

9 Алексейчук А В , Дегтярев А А , Раскин А А , Разработка методики расчета деформации консоли кантилевера методом резистивного токового разогрева // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России, Зеленоград, 2007, №4, с 25-27

10 Алексейчук А В , Дегтярев А А , Раскин А А , Методика расчета напряженно - деформированного состояния трехслойной консоли кантилевера // В сб Высокие технологии промышленности России (Материалы и устройства функциональной электроники и микрофотоники) Материалы XIII Международной научно - технической конференции (Москва, МГТУ им Н Э Баумана, ОАО ЦНИТИ "Техномаш", 2007г ,6-8 сентября),с 240-242

Подписано в печать

Заказ № Тиражт^экз Уч -изд л / Формат 60x84 1/16

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д 5, МИЭТ (ТУ)

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1 Виды зондовой микроскопии.

1.2 Пленочные кантилеверы.

1.3 Кремниевый кантилевер.

1.4 Кантилеверы с вискерами.

1.5 Краткие выводы к главе № 1.

Глава 2. Формирование консоли кантилевера и аппаратура для исследования основных его параметров.

2.1 Диффузия как основной метод формирования консоли кантилевера.

2.1.1 Условия возникновения диффузии.

2.1.2 Процесс диффузии и определяющие его факторы.

2.1.3 Функция распределения концентрации примеси по глубине.

2.1.4 Диффузия из постоянного внешнего источника (одностадийный процесс).

2.1.5 Диффузия из конечного поверхностного источника (вторая стадия двухстадийного процесса).

2.1.6 Рабочая камера диффузионной установки.

2.1.7 Способы контроля диффузионного процесса.

2.2 Растровая электронная микроскопия как основной метод контроля качества кантилеверов.

2.2.1 Электронные пушки.

2.2.1.1 Вольфрамовый термокатод.

2.2.1.2 Стержневой катод из гексаборида лантана (LaBg).

2.3.1 Электронные линзы.

2.3.1.1 Общие свойства магнитных линз.

2.3.1.2 Формирование пятна минимального размера.

2.4.1 Аберрация в электронно - оптической мишени.

2.4.2 Устройство объективной линзы.

2.4.3 Глубина фокуса.

2.5 Краткие выводы к главе № 2.

Глава 3. Исследование процессов изготовления кантилевера с улучшенными параметрами.

3.1 Исследование процесса формирования иглы кантилевера с улучшенными характеристиками.

3.2 Разработка технологии изготовления кантилевера с использованием электрохимического травления.

3.3 Краткие выводы к главе № 3.

Глава 4. Разработка технологии изготовления управляемого кантилевера и методики расчетов сферического изгиба консоли кантилевера в зависимости от температуры.

4.1 Разработка методики расчета деформации консоли кантилевера методом резистивного токового разогрева.

4.2 Технологический маршрут изготовления многобалочного управляемого кантилевера.

4.3 Краткие выводы к главе № 4.

Наряду с совершенствованием микроэлектроники в настоящее время исследователи стали уделять пристальное внимание новой перспективной области - наноэлектронике. Однако ее развитие немыслимо без разработки методов исследования и диагностики свойств поверхности твердых тел с нанометровым разрешением. К эффективным относятся методы исследования на основе сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) и в их числе методы, в которых применяются микромеханические зонды, так называемые кантилеверы [1].

Однако широкое использование СЗМ сдерживается рядом существующих проблем. В частности, одним из наиболее критичных элементов метода является кантилевер, от характеристик которого в значительной степени зависят результаты измерений. В настоящее время существующие конструктивно - технологические варианты изготовления кантилеверов не позволяют создать образцы, в полной мере удовлетворяющие все возрастающим требованиям исследователей.

Кантилевер представляет собой микрозонд в виде упругой консоли, на свободном конце которой сформирована острая игла.

Разрешающая способность СЗМ определяется следующими основными параметрами кантилевера:

- радиус кривизны острия иглы;

- высота иглы;

- аспектное соотношение иглы;

- шероховатость на обратной стороне консоли;

Такие ведущие производители кантилеверов, как Digital Instruments, Micromasch, Nanosensors, Olympus, NT-MDT, изготовляют кантилеверы, которые характеризуются недостаточно высоким аспектным соотношением иглы кантилевера. Таким образом, актуальность данной работы состоит в разработке технологии, позволяющей изготавливать кантилеверы с улучшенным аспектным соотношением игл и минимальной шероховатости на обратной стороне консоли.

Научная новизна:

- впервые предложен процесс формирования иглы кантилевера с улучшенным аспектным соотношением;

- разработан технологический маршрут изготовления кантилевера с улучшенными характеристиками для сканирующей зондовой микроскопии; впервые предложена методика для определения напряженно -деформированного состояния трехслойной консоли кантилевера, позволяющая обеспечить выбор оптимального материала для управляющей части консоли.

Практическая значимость:

- показана возможность создания игл кантилеверов с улучшенными характеристиками, которые можно использовать в устройствах эмиссионной электроники;

- преимущества предложенной технологии изготовления кантилеверов для сканирующей зондовой микроскопии заключаются в следующем:

1. Консоль кантилевера формируется электрохимически с автоматической остановкой процесса травления, что обеспечивает однородность получаемых мембран по толщине, а также гарантирует минимальный разброс по параметрам кантилевера.

2. Для автоматической остановки процесса травления консоли кантилевера не требуется высокая степень легирования кремния, которая негативно влияет на дефектность получаемой иглы кантилевера.

3. Величина коэффициента отражения от консоли кантилевера соответствует современным высоким требованиям, поскольку шероховатость на участке под иглой составляет всего лишь 6-8 нм.

Разработанная в рамках данной работы методика о напряженно -деформированных состояниях трехслойной консоли в условиях сферического изгиба, вызванного изменением температуры, позволяет проводить анализ, необходимый для выбора материалов для выбора управляющей части консоли.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на б научно - технических конференциях:

1. "Микроэлектроника и информатика - 2003". 10-я Всероссийская межвузовская научно - техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2003г. 6

2. "Микроэлектроника и информатика - 2004". 11-я Всероссийская межвузовская научно - техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 2004г.

3. "Нанотехнологии и фотонные кристаллы - 2004". 2-ой межрегиональный семинар, Россия, Калуга, 15 - 17 марта, 2004г.

4. "Электроника и информатика", пятая Международная научно - техническая конференция, Зеленоград, 2005г.

5. "Микроэлектроника и информатика", четырнадцатая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Зеленоград, 2007г.

6. "Материалы и устройства функциональной электроники и микрофотоники", тринадцатая Международная научно - техническая конференция, Москва, 2007г.

Положения, выносимые на защиту:

1. Процесс формирования иглы кантилевера с улучшенными характеристиками;

2. Методика о напряженно - деформированных состояниях трехслойной консоли в условиях сферического изгиба вызванного изменением температуры.

3. Формирование консоли кантилевера диффузией фосфора и электрохимическим стоп-травлением.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Проведен анализ литературных источников по основным видам зондовой микроскопии, а так же по основным типам кантилеверов.

2. Представлены современные данные по аппаратуре для исследования основных параметров кантилеверов.

3. Предложенный процесс формирования иглы кантилевера позволяет изготавливать иглы с улучшенными характеристиками.

4. Определены условия формирования р - п - перехода в кремниевых пластинах, используемых для изготовления консоли кантилевера.

5. Разработанная технология изготовления кантилеверов для сканирующей зондовой микроскопии обеспечивает следующие преимущества:

1. Консоль кантилевера формируется электрохимически с автоматической остановкой процесса травления, что обеспечивает однородность получаемых мембран по толщине, а так же гарантирует минимальный разброс по параметрам кантилевера.

2. Для автоматической остановки процесса травления консоли кантилевера не требуется высокая степень легирования кремния, которая негативно влияет на дефектность получаемой иглы кантилевера.

3. Величина коэффициента отражения от консоли кантилевера соответствует современным высоким требованиям, поскольку шероховатость на участке под иглой составляет всего лишь 4 - 6 нм.

6. Полученная методика о напряженно - деформированных состояниях трехслойной консоли в условиях сферического изгиба, вызванного изменением температуры, позволяет проводить анализ, необходимый для выбора материалов управляющей части консоли.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Нанотехнологии в электронике. Под ред. Ю. А. Чаплыгина. М.: Техносфера. 2005. 448 с.

2. Binnig G., Rohrer Н. Scanning tunneling microscopy // Helvetica Physica Acta 55(1982), 726

3. Куейт Ф. Вакуумное туннелирование: новая методика в микроскопии / Физика за рубежом. Сер. А. Москва: Мир (1988), 93-111

4. Шермергор Т., Неволин В. Новые профессии туннельного микроскопа // Наука и жизнь (1990), № 11, 54-57

5. Binnig G., Quate С. F., Gerber Ch. Atomic force microscopy // Phys. Rev. Lett. 56 (9) (1986), 930-933

6. Шермергор Т. Знакомьтесь: атомный силовой // Наука и жизнь (1991), № 9, 7-9

7. Howland R., Benatar L. A practical guide to scanning probe microscopy. Park Scientific Instruments (1996)

8. Salmeron M. B. Use of the atomic force microscope to study mechanical properties of lubricant layers // MRS Bulletin (1993), May, 20-25

9. Гоглинский К. В., Кудрявцева В. И., Новиков С. В., Решетов В. Н. Применение атомно-силовой микроскопии для исследования микроструктуры твердых сплавов на основе карбида вольфрама. Препринт/002-96. Москва: МИФИ (1996)

10. Campbell A. N., Cole Е. I. Jr., Dodd В. A., Anderson R. Е. Magnetic force microscopy/Current contrast imaging: A new technique for internal current probing of ICs // Microelectronic Engineering 24 (1994), 11-22

11. Grafstrom S., Kowalski J., Neumann R. Design and detailed analysis of a scanning tunneling microscope // Meas. Sci. Technol. 1 (1990), 139-146

12. Weisendanger R. Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy. Cambridge: Cambridge University Press (1994)

13. Meyer E. Atomic Force Microscopy // Progress in Surface Science, 41/1 (1992), 3-49

14. Burnham N. A., Colton R. J. Force Microscopy / Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy. Chapter 7. New York (1994), 191-249

15. Spatz J. P., Sheiko S., Moller M., Winkler R. G., Reineker P., Marti O. Forces affecting the substrate in resonant tapping force microscopy // Nanotechnology, 6 (1995), 40-44

16. Luthi R., Meyer E., Howald L., Haefke H., Anselmetti D., Dreier M., Ruetschi M., Bonner Т., Overney R. M., Frommer J., Guntherodt H.- J. Progress in noncontact dynamic force microscopy // J. Vac. Sci. Technol. 3 (1994) В12,1673— 1676.

17. Hartmann U. Theory of Noncontact Force Microscopy/Scanning Tunneling Microscopy III; Theory of STM and Related Scanning Techniques / Eds. R. Wiensendanger and J.-H. Guntherodt. Berlin: Springer (1985)

18. Weisenhorn A. L., Hansma P. K., Albrecht T. R., Quate C. F. Forces in Atomic Force Microscopy in Air and Water // Appl. Phys. Lett. 54 (26), (1989), 2651-2653

19. Burnham N. A., Colton R. J. Measuring the nanomechanical properties and surface forces of materials using an atomic force microscope // J. Vac. Sci. Technol. A.7, 4 (1989), 2906-2913

20. Hutter J. L., Bechhoefer J. Measurement and manipulation of Van der Waals forces in atomic force microscopy // Journal of Vacuum Science and Technology B, 12(1994), 2251-2253

21. Быков B.A., Гологанов A.H., Салахов H.3., Шабратов Д.В. Способ формирования кантилевера сканирующего зондового микроскопа // ЗАО «НТ-МДТ», ЗАО «Силикон-МДТ». Российская Федерация. Патент на изобретение №2121657, приоритет от 08.05.97.

22. Быков В.А., Дремов В.В., Михайлов Г.М., Лосев В.В., Саунин С.А.

23. Зонды "вискер-типа" и магнито-силовые зонды для СЗМ // Зондовая микроскопия. 2000. Материалы Всероссийского совещания.

24. Быков В.А., Мишачев В.И. Возможности кремниевой микромеханики для развития сканирующей зондовой микроскопии и нанотехнологии // Зондовая микроскопия 2000. Материалы Всероссийского совещания.

25. Marcus R. B. Formation of silicon tips with < lnm radius/ J. Appl. Phys. Lett., 56, P. 236, 1990.

26. Быков В.А. Микромеханика для сканирующей зондовой микроскопии и нанотехнологии // Микросистемная техника №1. 2000.

27. Райнова Ю.П., Чистяков Ю.Д. физико-химические основы технологии микроэлектроники. Москва «Металлургия». 1979.

28. Smith R. L., Kloek В., De Rooij N., Collins S.D. The potential dependence of silicon anisotropik etching in KOH at 60°C// J. Electroanal. Chem., 238, 1987. P 103-113.

29. Broers A.N., J. Appl. Phys., 38, 1991 (1967).

30. Broers A.N., J. Physics E, 2, 273 (1969).

31. Broers A.N., in: Scanning Electron Microscopy/1974, IITRJ, Chicago, 111., 1974, p. 10.

32. Ahmed H., Broers A.N., J. Appl. Phys., 43, 2185 (1972).

33. Broers A.N., J. Vac. Sci. Technol., 10, 979 (1973).

34. Broers A.N., Rev. Sci. Instr.,40, 1040 (1969).

35. Crewe A. V., Eggenberger D. N., Wall J., Welter L. M., Rev. Sci. Instr.,39, 576 (1968)

36. Crewe A. V., Isaacson M., Johnson D., Rev. Sci. Instr., 40, 241 (1969)

37. Broers A.N., in: Scanning Electron Microscopy/1970 IITRI, Chicago, 111., 1970, p.3.

38. Broers A.N., in: Microprobe Analysis (Andersen C. A., ed), Wiley, New York, 1971, p. 83.

39. Brics L. S., Electron Probe Microanalysis, 2nd ed., Wiley-Interscience, New York, 1971.

40. Hall C.E., Introduction to Electron Microscopy, McGraw-Hill, New York, 1953.

41. Oatley C. W., The Scanning Electron Microscope, Part 1, The Instrument,

42. Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1972.

43. Pease R. F. W., Nixon W. C., J. Sci. Instr., 42, 81 (1965).

44. Zworykin V. K., Morton G. A., Ramberg E. G., Hillier J., Vance A. W., Electron Optics and the Electron Microscope, Wiley, New York, 1945.

45. Fick A., Ann. Phys., Leipzig, 179, 59. 1955.

46. Elizalde J. G., Olaizola S., Bistue G., Castano E., GarciaAlonso A., and Gracia F. J. Optimization of a three-electrode electrochemikal etch-stop process. Sensors Actuators, A 66, P. 259-267, 1998.

47. С. В. Бояшринов. Основы строительной механики машин- М.: Машиностроение, 1973.-456 с.

48. Таблицы физических величин: Справочник/Под ред. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976.-1008с.

49. Физические величины: Справочник/Под ред. И.С. Григорьева и Е.З. Мейлихова. М: Энергоиздат, 1991. -1232с.

50. Физическая энциклопедия в 5-ти томах/Под ред. A.M. Прохорова. М.: Советская энциклопедия, 1998-1998.

51. Зав. кафедрой «Материалы и процессы твердотельной электроники», профессор, доктор физико-математических наук1. Коркишко Ю.Н.1. Рощин В.М.1. УТВЕРЖДАЮ»„»

52. Силикон-МДТ» ^ Шабратов Д.В.2007 г.1. АКТоб использовании результатов диссертационной работы Алексейчука А.В. «Исследование процесса изготовления кантилевера с улучшенными характеристиками для сканирующейзондовой микроскопии»

53. Данный Акт составлен в том, что результаты диссертационной работы были использованы в производстве кантилеверов компанией ЗАО Силикон-МДТ.1. Главный инженер-технолог1. Салахов Н.З.