автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Научно-технические основы разработки оптических, оптоэлектронных и микроэлектронных приборов, базирующихся на использовании тонкопленочных структур

государственный комитет российской федерации

по высшему образованию НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ОПТИЧЕСКИХ, ОПТОЭЛЕКТ-РОННЫХ И МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ, БАЗИРУЮЩИХСЯ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ТРЕХМЕРНЫХ СТРУКТУР.

РГБ Ой

2 7 оЕВ Г

Для служебного пользования.Экз. № Ь 8 На правах рукописи

Чесноков Владимир Владимирович

УДК 621.38.049.77. +681.7.06.+681.382.473,

05.11.07

Оптические и оптико-электронные приборы

диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

НОВОСИБИРСК

19 95

Работа выполнена: в НИИ „Восток", г.Новоеибирск; в СГГЛ, г.Новосибирск-

Научный консультант: профессор, доктор технических наук Г1 !БИ11 И.С.

Официальные оппоненты: профессор, доктор физико-математических наук

АРИСТОВ В.В. профессор, доктор физико-математических наук

дятлов в.л.

старший научный сотрудник, доктор технических наук

ЧУГУЙ Ю.В.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт физических проблем им.Лукина, г.Зеленоград.

Защита состоится 16 марта 1995 г. в 10 часйв на заседании диссертационного совета Д 063.34.08 в Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, г.Новосибирск, пр. К.Маркса, д.20.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Диссертация разослана ,_" 1995 г.

9К? Подписано в печать 23 января 1995 г. Объем 3,0 печ. лист. 2,8 уч.-изд. листа. Заказ 10. Тираж 100.

бЗОЮа, г. Новосибирск, 108, Плахотною, 8, РИО, КПЛ СГГА.

\

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 оптоэлектронике - 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 ф-лльтров 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, инеоцион-ность .форму. Диапазон размеров ШП 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;

- А -

- динамические устройства отображения информации, потеци-ально превосходящие жидкокристаллические индикаторы по основным параметрам: быстродействию (постоянная • времени до 1хю~6с), экономичности, работе в кестких условиях окружающей среды;

- статические мембранные элементы со специальными функциями (прозрачные в БУФ- области и области "мягкого рентгена" ва-куушлогные окна и мембраны);

- оитоэлектронные люминесцентные Ш1 индикации с использованием автозяектрошой эмиссии электронов,' отличающиеся лучией эффективностью, быстродействием, технологичность» изготовления.

Методы изготовления микромеханических устройств находятся в стадии начального развития. Автоматический перенос технологии полупроводниковой микроэлектроники на микромеханическив структуры еэ возможен, в основном, в связи с объемным их характером. Поэтому исследуются также технологические процессы изготовления стружгурннх элементов указанных ШП, совместимые с тонкопленочным их исполнение,",;:

- лазерные пучковые технологии;

- технологии получения трехмерных тонкопленочных микроструктур Ш1.

В целом, постановка теш диссертации направлена на решение научно-технической проблема, имеющей вагкное народно-хозяйственное значение - на создание научно-технических основ разработки оптических, оптоэлектронных и микроэлектронных приборов, базирующихся на использовании трехмерных тонкопленочных структур.

Результаты, вошедшие в диссертацию,. бкии получены в ходе разработок, выполнявшихся в соответствии с планами работ НПО "Восток" и ЫЭП на 1965 - 1982г., межотраслевой программой "Суб-ыикрон", планами НИР ЮШГАиК в 198б-93г.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Разработка научно- технических основ функционирования, принципов конструирования и изготовления оптических, оптоэлектронных и микроэлектронных приборов, базирующихся на использовании тонкопленочных трехмерных микроструктур.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Разработка теории функционирования и методов расчета динамических микрсмеханических оптоэлектрснных устройств, изготовление устройств и их экспериментальное исследование.

2.Разработка устройств и физико-технических основ изготовления мембранных тонкопленочных оптических элементов ВУФ и мягкого рентгеновского спектров излучений.

3. Разработка физико-технических принципов создания тонкопленочных мембранных структур большой площади.

4. 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 автоэлекгронньгх приборов.

5. Разработка физико-технических принципов создания трехмерных тонкопленочных структур с разрешением до 0.1 мкм, разработка процессов нефотолитографического • изготовления та;сих структур.

6. Разработка физико-технических принципов лазерной и плазменной технологии формирования трехмерных микроструктур, неразрушавщих процессов обработки мембран, в том числе, формирования пленочных рисунков на мембранах.

ПРЕДМЕТ И ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

- теория функционирования и принципы конструирования оптических, оптозлектронных и микроэлектронных приборов, базирующихся на использовании тонкопленочных трехмерных структур,

- физико-технические основы изготовления тонкопленочных микромеханических приборов.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Проводимые исследования основаны на методах интегральной оптики, общих принципах электромеханики, механики деформируемого тела, эмиссионной электроники, физики полупроводников.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ

1. 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.

2. Исследованы физико-технические и технологические основы создания предложенных элементов коротковолновой оптики, отличающихся использованием мембранных, прозрачных для коротковолнового излучения тонкопленочных структур: окон ввода технологических пучков иалучения 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.

3. 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 змиттируюией поверхности трехмерной структуры.

5. Обнаружена возможность существования самостоятельного высоковакуумного разряда в малых зазорах, обусловленного наличием на катодном электроде трехмерной тонкопленочной структуры и электрических полей порядка (1*5)-106 В/см.

6. Предложены принципы конструирования и исследованы физико-технические основы технологий матричных объемных микроконс-грукций на подложках, отличающихся использованием тонкопленочных трехмерных структур с большим аспектным отношением их элементов и нелитографическими методами изготовления.

7. 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.

8. 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 налылитедьными используемыми в 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.

9. 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.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ

Применение трехмерных- тонкопленочных микроструктур при' создании приборов оптики опто- и микроэлектроники обеспечивает существенное улучшение ряда основных параметров.приборов.

1) 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..

2) 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.

3) 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.

4) Разработанные автозлекгронные 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:

5) Разработанный комплекс технологий формирования на подложках объемных тонкопленочных микроструктур обеспечивает получение требуемой субмикронной и микронной' геометрии элементов структуры более простыми и воспризводимыми нелитографическими средствами, чем стандартные методы литографии. Методы могут быть применены в современных разработках нанотехнологии.

6) Предложенное реактивное ионноплазменное 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 шкап и сеток.

8) Предложенная лазерная очистка поверхностей от пылевидных частиц за счет использования реактивного импульса отдачи -единственный неразрушающий 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 0,1-10мкм, в том числе, в процессах технологических обработок подложек внутри технологичеких аппаратов.

9) Результаты исследования поведения микроэлектродов в высоком вакууме при полях до бхЮ^/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:

1. В виде результатов НИОКР, использованных при выполнении организациями научно-технических Программ и производстве новых приборов.

2. 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 фот очу ест вит е ль ним 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-излучениях в СО АН СССР, г.Новосибирск.

Технология и установки лагерного 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.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1.Теория функционирования и методы расчета динамических микромеханических оптоэлектронных устройств с магнитоэлектрическим приводом.

2. Принципы конструирования динамических оптоэлектронных устройств с магнитоэлектрическим приводом на базе трехмерных тонкопленочных структур, обеспечивающих выполнение функций модуляции и отклонения световых пучков. Зеркало (или шторка) макроустройства заменяется матрицей микрозеркал (или микрошторок), причем каждый микроэлемент матрицы снабжен индивидуальным

электроприводом. Момент .инерции микроэлемента намного меньше (в сотни раз), чем у макроэлемента, что обеспечивает большую резонансную частоту микроэлемента. Все устройство имеет интегральную технологию изготовления.Изготовлены и исследованы образцу дефлектора.

3. Принципы функционирования и конструкции микромеханических тонкопленочных светоклапанных устройств с электростатическим управлением.

4.Физико-технические и технологические основы создания мембранных тонкопленочных структур оптических элементов - окон ввода технологических потоков излучения в диапазонах спектра ВУФ с длиной волны короче 100 нм и мягком рентгеновском, ваку-умплотных и не разрушающихся при атмосферном перепаде давлений (последнее - для ВУФ диапазона спектра).

5.Физико-технические основы создания кремниевых мембрандля рентгеношаблонов с полезной площадью диаметром до 80 мм, оптически сопряженных с апертурой каналов СИ; и для других применений в технике и научных исследованиях.

6. Теория функционирования и методы расчета параметров интегральных автоэлектронных микроприборов, включающие учет: особенностей АЭЭ из металлических и полупроводниковых острий; влияния потенциала заряда диэлектрических поверхностей; роли локализации напряженности поля в эмиттирующем центре; десорбции ад-сорбкроганного на аноде слоя газа под влиянием электронной бомбардировки; электронно-оптических параметров микроструктур; обнаруженного эффекта постоянного самообновления эмиттирующей кромки пленочной трехмерной структуры.

7.Принципы конструирования автоэлектронных микроприборов опто- и микроэлектроники, базирующихся на применении трехмерных тонкопленочных структур и использовании автоэлектронной эмиссии из края тонкой пленки: диодных матриц, люминесцентных матричных индикаторных панелей, гибридных автоэлектронно-полупроводниковых фотоприемников ИК-диапазона, триодных автоэлектронных микроструктур с полупроводниковым автокатодом, интегральных устройств с функциональными возможностями регистров сдвига, и др. Изготовлены и исследованы образцы ряда устройств.

8. Принципы и физико-технические основы комплекса оригинальных технологий, позволивших формировать на поверхности под-

ложки объемные тонкопленочные микроструктуры с характерными размерами элементов: зазоры между элементами до 0,1*0,2 мкм; высота до 10*20 мкм при аспектном отношении 100*200; комплекс включает также впервые разработанные: теневое напыление; избирательное травление многослойных структур из тугоплавких металлов и диэлектриков; электростатическую механическую формовку микроструктур; диффузионные методы получения микрозазоров и герметичных микрополостей, и др.

9. Обнаружен эффект длительного существования в условиях высокого вакуума в зазоре порядка единиц и десятков мкм между анодом и трехмерной структурой на катоде при приложении электрических полей до (1*5)-10® В/см процесса, имеющего признаки самостоятельного высоковакуумного разряда, характеризуемого, в отличие от газового разряда, квадратичной вольтамперной характеристикой и большей инерционностью в установлении тока разряда при изменении приложенного напряжения. Эффект может сказываться на работе устройств с вакуумной изоляцией и должен учитываться при разработках соответствующих приборов.

10. Физико-технические основы предложенного метода реактивного ионноплазменного травления (РИПТ) поверхностных структур тонкопленочных и полупроводниковых приборов. Разработаны оригинальные установки РКПТ, внедрены при производстве микросхем.

11. Принципы и физико-технические основы лазерно-пиролити-ческого наносекундного процесса получения пленок на мембранах и подложках; рост пленок реализуется последовательным отложением слоев субатомной и моноатомной толщины при пиролизе адсорбированных слоев злементоорганических соединений; скорость роста пленок находится в зависимости от соотношения температур кипения и разложения адсорбированных • слоев реагентов; обнаружена возможность лазерно-пиролигического выращивания слоев, свободных от загрязнений, содержащихся в газовой фазе. Технология применена при ретуши фото- и рентгеношаблонов, оптических шкал и сеток.

12.Принципы и физико-технические основы удаления пылевидных загрязнений с поверхности тонких мембран, трехмерных тон-коплеиочных структур и подложек путем лазерного наносекундного облучения поверхностей за счет реактивного импульса отдачи при

частичном испарении частиц загрязнений. Ускорение частиц может достигать при этом 1-Ю9*1-1010 Технология применена при сухой неразрушающей очистке мембран рентгеношаблонов.

ПУБЛИКАЦИИ

Общее число публикаций равно 97, из них 78 по теме диссертационной работы, в том числе, 10 статей, опубликованных в центральных и зарубежных научных журналах и изданиях по списку ВАК; 10- тезисы докладов, представленных на 8 Всесоюзных и международных симпозиумах и конференциях; 43 авторских свидетельства на изобретения. Результаты диссертации содержаться также в 19 научно-технических отчетах по НИОКР, имеющих государственную регистрацию.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 15 Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (19-22 ноября 1973г., Киев); на 16 Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Махачкала, 8-11сентября 1976г.), отраслевых семинарах - "Везнакальные эмиттеры" (МЭП, ЦНИИ "Электроника", М. 21-22 сентября 1971г.) и "Устройства вакуумной микроэлектроники и технология" (МЭП, Новосибирск, 27 ноября 1975г.); 2 симпозиуме по сильноточной эмиссионной электронике, Томск, 1975г.; 5 отраслевой научно-технической конференции "Тонкие пленки в производстве полупроводниковых приборов и КС", Нальчик, 1983г.; Всесоюзной научно-технической конференции "Оптико-электронные измерительные устройства и системы", Томск, октябрь 1989г.; отраслевом научно-техническом семинаре "Лазерная техника и технология", Брянск, 1991г.; 4 Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, Ленинград, 1991г.; 4 Всесоюзном совещании "Применение МОС для получения неорганических покрытий", Нижний Новгород, 1991г.; Международной конференции "Laser Optics, 1993", 21-25 июня 1993г., Санкт-Петербург, Международ-

ной конференции по использованию синхротронного излучения СИ-94, 11-15 июля 1994г. г. Новосибирск, а тайке на ряде научно-технических конференций и семинаров организаций НПО "Восток". НИИГАиК, ИНХ СО РАН.

2.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1. Введение

В. настоящее время еще не известны обобщающие исследования, которые позволили бы очертить границы и определить возможности рассматриваемого нового класса функциональных устройств - тонкопленочных ыикромеханических приборов.Вероятно, это связано как с' быстрым развитием данной области науки и техники, так и с многообразием физических эффектов, привлекаемых для решения новых приборов.

Однако, ряд параметров микромеханических устройств выделяет их среди других устройств:

- общей чертой этих приборов является выполнение функций за счет использования топологических свойств трехмерных микроструктур;

- важными являются механические характеристики - прочность, упругость, внутренние напряжения; оптические характеристики -отражение, преломление, поглощение различных видов излучений;

- для изготовления микроструктур используются модифицированные процессы изготовления полупроводниковых микросхем: нанесение и травление пленок, литографические процессы, диффузия в твердой фазе, электростатическая формовка, лазерные воздействия и др., однако, универсальной технологии микромеханических приборов не существует.

Разработка каждого нового микромеханического прибора ставит перед исследователями две взаимосвязанные задачи:

- определить, каким образом топологические и механические свойства микромеханической структуры обеспечат выполнение функции, ожидаемой от прибора, то есть, разработать теорию функционирования прибора;

- разработать технологию изготовления микромеханической структуры'.

Автор исследует физические основы функционирования и принципы конструирования приборов оптики, опто- и микроэлектроники с микромеханической тонкопленочной микроструктурой элементов: автозлектронные микролампы и функциональные автоэлектронные устройства; индикаторные панели; оптические фильтры и прозрачные вакуумплотные тонкопленочные окна; динамические тонкопле-ночнке зеркала, дефлекторы и модуляторы световых потоков, све-токлапанные микромеханические индикаторы.

Создание этих приборов потребовало разработки специальных технологий, позволяющих получать трехмерные структуры из свободных тонких пленок с толщиной от 0,01 до единиц мкм и оперировать с такими тонкими структурами: наносить рисунки из проводящих и не проводящих материалов, производить неразрушающую очистку от загрязнений, ремонтировать дефектные участки и др.

Были исследованы физические принципы, на использовании которых возможна реализация указанных технологических воздействий, в том числе, плазмохимического травления; теневых методов напыления и получения субмикронных структурных элементов; процессов на подложках и в пленках, инициируемых наносекундным лазерным воздействием; формообразования объемных микроструктур пленочного типа и в монокристаллических подложках, и др.

разработанные технологии нашли применение также и в других областях техники.

2.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ОСНОВ СОЗДАНИЯ И РАЗРАБОТКИ ДИНАМИЧЕСКИХ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ОПТОЭЛЕКТРОНИ-КИ, ОСНОВАННЫХ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТРЕХМЕРНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР

2.2.1. Исследование физических основ создания дефлектора -модулятора с магнитоэлектрическим управлением положением тонкопленочных структур С4,53.

Перспективным представляется для решения рассмотренной задачи применить упругие механические волны, распространяющиеся в тонкопленочных микрополосках (микробалках), т.е. в микромеханических волноводах.

Найдено, что наименьшую скорость упругой волны в микроме--паническом волноводе, что необходимо для миниатюризации устройства, можно получить, используя волну изгибных, поперечных иди крутильных колебаний. Фазовая скорость волны может составлять всего 100+200 м/с.

Получены выражения для энергии, переносимой упругой волной в микроволноводе и мощности возбуждения волны. Так, для волны крутильных колебаний:

1 i

wkp=-pnXh3dí?o2t>o2;. Ркр=-pvh3d<po2foz,

24 k

где wkp и ркр - энергия упругой волны на участке возбуждения

длиной п*х и мощность сигнала возбуждения такого участка; р, h, d - плотность материала микроволновода, его ширина и толщина; А - длина упругой волны; uo=2rcfo - частота колебаний; <¡>o - амплитуда угла поворота сечения микроволновода; v - скорость упругой волны;.п - число колебаний в возбужденном сигналом пакете колебаний; к - кпд устройства возбугг-дения волны.

Рассмотрим один из возможных вариантов использования упругой крутильной волны для управления световым лучом - создание дефлектора-модулятора света с магнитоэлектрическим управлением путем возбуздения в микрополоске стоячей крутильной волны.

Прибор содержит линейку расположенных в одной плоскости почти вплотную друг к другу микрошторок, являющихся микроволноводами, закрепленных концами в общей раме и способных каждая совершать крутильные колебания вокруг своей оси симметрии. Линейка помещена в магнитное поле, параллельное ее плоскости; угловым положением микрошторок - каждой в отдельности или всех вместе - можно управлять, пропуская управляющий ток по виткам, нанесенным на поверхности микрошторок. Прибор может выполнять функции дефлектора света, когда микрошторки образуют составное зеркало и, поворачиваясь синхронно, управляют угловым положением отраженного широкого светового пучка; может служить модулятором света - в зтом случае система микрошторок работает нап-росвет, открывая щели для прохождения света при повороте шторок.

Отверстие в раме, занятое микроаторками, имеет площадь" 5x5 мм, толщина и ширина шторок 2,5 мкм и 100 мкм; ширина золотых проводников 20 ыкм.

В зависимости от вида возбуждаемой упругой волны скорость распространения ее различна, поэтому, как обнаружено в данном исследовании, могут одновременно существовать условия для раз. личных резонансов:

1 1 *рез.1 = — /— ; грез.2 = — ,

21 / р 21 / р

где греэ.1 и грез.2 - резонансные частоты возбуждения полуволновых колебаний в микрополоске длиной 1 (ее концы защемлены), соответственно, для случаев, когда преобладает собственная жесткость полоски или жесткость, вызванная механическими напря-кеннияки в ней (бо). Механические напряжения могут быть "заложены" при выращивании тонких пленок (внутренние механические напряжения) или созданы натяжением микрополоски (внеиней силой).

Для значения угла Ро поворота микрозеркала выведено выражение (для случая распределенного вращающего момента, равной жесткости полоски по длине и малости угла поворота):

112ВсоБа ФО --^— .

8бЗЬ

где 1 - ток управления; В и а - индукция внешнего магнитного поля и угол между вектором индукции и плоскостью микрозеркала.

Резонансная частота дефлектора данной конструкции может достигать значений (2.5-5)*105Гц,что на два порядка превышает быстродействие промышленных дефлекторов. При работе на резонансной частоте 30 кГц угол отклонения луча ¿20°.

Найдем условия масштабирования (условия сохранения "погонной" плотности энергии упругой волны к квадрату амплитуды колебаний в волне), микромеханических устройств с упругими колебаниями: ■ ,

- для крутильных колебаний (типа колебаний "натянутой струны"): рЬэс£;2=сопбЪ;

- для поперечных колебаний (типа колебаний "натянутой струны"): рЬс^-сопзЬ.

Интегральная технология изготовления трехмерных тонкопленочных структур из кремния может быть применена также к изготовлению механизмов и зеркал шлейфовых дефлекторов макроразмеров, подобных используемым в светолучевых осциллографах, устройствах записи сигналов, и др. Ее преимущества выразятся в более высокой воспроизводимости параметров устройств, в многократном уменьшении стоимости устройств, т,к. интегральная технология использует групповую обработку десятков или сотен идентичных приборов на одной кремниевой пластине.

2.2.2. Исследование физических основ функционирования мембранных светоклапанных устройств с электростатическим управлением.

Функционирование устройств основано на модуляции интенсивности или углового положения светового пучка при перемещении в пространстве отражающих или преломляющих свет тонкопленочных поверхностей. Перемещение может быть инициировано приложением электрических или электромагнитных сил к перемещающимся элементам.

В литературе приведены описания ряда подобных устройств: экраны дисплея, световые вентили, датчики ускорений.

Инициатором отечественных исследований и разработок в области пленочной электромеханики (пленочных электростатических реле, светоклапанных устройств, пленочных микродвигателей) является Дятлов В.Л. с сотрудниками. Им заложены теоретические основы пленочной электромеханики, создан ряд пленочных устройств .

Исследования, проведенные автором, привели к разработке принципов конструкций мембранных светоклапанных устройств, основанных на модуляции проходящего света за счет использования перестройки резонаторов Фабри-Перо, в качестве которых выступают микроячейки светоклапанного модулятора С1], а также светок-лапанного устройства, основанного на использовании нарушения эффекта полного внутреннего отражения при перемещении тонкопленочной прозрачной мембраны в микроячейке [2].

В отличие от известных из литературы, разработанные приборы позволяют производить амплитудную модуляцию проходящего света, а не отраженного, что улучшает контраст изображения.

Электростатическое управление положением мембран требует управляющего напряжения порядка 100 В. Предложен принцип'управ-

ления, который .позволяет существенно уменьшить управляющее напряжение СЗЗ, Если .'край мембраны закрепить через, изолирующий слой на. поверхности управляющего электрода, то воздушный зазор на .краю • мембраны сходит на нет, имеет форму клина с углом на краю мембраны.' При подаче рабочего напряжения пленка под действием электростатических сил деформируется- и вершина угла, перемещается вдоль мембраны. При надлежащем'выборе■параметров конструкции управляющее напряжение уменьшается примерно.на порядок величины.■ ...

Для силы Р притяжения мембраны к управляющему электроду в случае клиновидного, зазора найдена формула (для значения диэлектрической проницаемости изолятора £>10-20):

■ ££ои2а. .'•..'

Р * -:-, ■

2с1к . ■

где и- управляющее напряжение, а- ширина мембраны, сЗ - толщина слоя- изолятора на электроде, к'.- угол шина.

■Из выражения очевидно, что усилие прикима не зависит от длины мембраны: • Полученный результат указывает на возможность безгистерезисного управления положением мембраны.

' Указанное'принципиальное решение'нашло впоследствии.применение в ряде разработок,- использовавших "накатывание", мембраны:, в пленочных двигателях,/модуляторах света и др.

■ Описанные устройства■ могут применяться при' создании алфавитно-цифровых индикаторов, экранов ..дисплея и др.. Преимуществом микромеханических устройств 'перед распространенными сейчас жидкокристаллическими панелями является: возможность работать в более жестких условиях окружающей среды, в.том числе, при'любых отрицательных, температурах'; большее быстродействие, меньшая потребляемая-мощность.

2.3. РАЗРАБОТКА МЕМБРАННЫХ Т0НК0Ш1ЕН0ЧНЫХ УСТРОЙСТВ

И ИХ ТЕХНОЛОГИЙ; ПОВЕДЕНИЕ МЕМБРАН В ПОЛЯХ ИЗЛУЧЕНИЙ

2.3.1. Исследование физических основ, создания рентгеноп-розрачных тонкопленочных подложек и окон.

В науке и технике широко распространены тонкопленочные мембранные устройства. Ниже рассматриваются результаты выполненных нами разработок мембранных устройств, ■ примененных в качестве подложек и оптических окон, прозрачных в областях спектра излучений: в области мягкого рентгеновского излучения (диапазон вблизи 1*1,5 нм); в области вакуумного ультрафиолета (10+100 нм).

Подобные мембраны должны быть механически' прочными при диаметрах до 100мм, сохранять стабильность размеров с точностью до долей мкм в условиях изготовления и экспонирования актинич-ным излучением, быть равнотолщинными и оптически плоскими при толщине порядка одного мкм, иметь малую плотность дефектов с размерами более долей мкм, .допускать серийное изготовление. Мембрана оюычно натянута на жесткое плоское опорное кольцо. Обычно применяют мембрану из легких элементов и их 'соединений (кремния, титана, бериллия, бора,- углерода, нитридов и карбидов перечисленных элементов).

Найдены условия обеспечения увеличенной прочности кремниевых мембран: повышенная равномерность концентрации и глубины легирования бором по всей площади кремниевой подложки, предельный уровень коцентрации примеси; кроме того, найдены решения, защищенные авторскими- свидетельствами [38.39].позволяющие уменьшить локальные временные концентрации механических напряжений при отделении мембраны от подложки в избирательном трави-теле.

Найдены условия получения алюминиевых мембран толщиной 0,5-1,0 мкм: из алюминиевой пленки, нанесенной на кремниевую мембрану, с последующим избирательным удалением кремния. Натяжение алюминия создавалось за счет разности к.т.р. с опорным кремниевым кольцом, целостность мембраны обеспечивалась высокой избирательностью травления основы и сухим характером процесса, исключающим разрушающее влияние сил поверхностного натяжения: использовано плазмохимическое травление.

В результате исследований впервые были получены рентгено-шаблоны с полезной площадью диаметром 80 м при толщине мембраны 2 мкм, совместимые по апертуре с пучками СИ накопительных колец, а также вакуумялотные окна с алюминиевой мембраной диаметром 50 мм при толщине 0,5-1,0 км для ввода СИ в технологическую камеру [40,41]. Разработана опытная технология изготовления рентгеношаблонов большой площадии и организованы поставки таких шаблонов С42].

Исследования были проведены в обеспечение разработок рент-генолитографии с использованием СИ/ инициированных в СССР лабораторией СИ Кулипанова Г.Н. в К® СО АН и проводимых в рам как сотрудничества И® СО АН, НПО " Восток" [40,413 и НИИФП (р>ук. работ Мазуренко . .), г. Зеленоград.

2.3.2. Исследование поведения разработанных мембран в полях излучений [6,7].

Исследовалось поглощение мембранами рентгеновского излучения, эффекты на мембране, возникающие при облучении: тепловые эффекты, деформации, влияние электрических зарядов. Поглощение СИ электронно-лозитронного кольца имеет свои особенности, вызванные широким диапазоном спектра падающего излучения и тем, что спектр СИ имеет сплошной характер с максимумом при длине волны

5,59 /? (м) Ш) = —о- ,

Е^(ГэВ)

где й - радиус орбиты электронов в кольце, Е - энергия частиц. Энергия квантов СИ, применяемого при рентгенолитографии.в области максимума спектра порядка 1 кзв. уровень освещенности, создаваемой излучением в плоскости мембраны, порядка десятых долей Вт/см2.

Результаты расчета ослабления излучения мембраной из кремния и алюминия, выполненного на ЭВМ, приведены в Таблице 1.

Таблица 1. Коэффициенты ослабления СИ мембраной.

с/(мкм)\Лс(Л ) материал 24,833 31,573 54,558

1,8 1,0 2,0 А1 А1 1,91-Ю"1 2,51-10"1 1,39-Ю"1 1,34-Ю"1 1,92-Ю"1 1,01-Ю-1 3.95-10"2 7,80-Ю"2 3,42-10~2

Здесь Ас = 24,833 А; 37,573 А; 54,558 А соответствуют для кольца ВЭПП-2М энергиям пучка 650, 600,. и 500-МэВ, соответственно.

Поглощенная мембраной доля излучения приводит к нагреванию мембраны и термическим изменениям расстояний между фиксированными ее точками. Температура нагревания определяется балансом потоков тепла: выделяющееся в, мембране тепло . расходуется на тепловое .излучение мембраны, на теплоотвод через окружающую атмосферу и теплоотвод через опорное кольцо.Если учесть только последнее, получим: -2га-с1ххбТ/Зг = -кг20, где г, <3 и А -радиус, толщина мембраны и коэффициент теплопррводности ее .вещества, О -поглощаемая мембраной плотность мощности СИ. Перепад температур между центром и краями при облучении в . вакууме кремниевых мембран в режимах ■ рентгенозкспонирования подложек с резистом достигает 24 град.,' алюминиевых - 19 град.; при облучении в среде гелия мембрана отличается по температуре от подложки на сотые - десятые доли градуса; в последнем случае тепловой поток направлен, в основном, к подложке через атмосферу гелия.

Температурные искажения мембраны при ее облучении приводят к сдвигам ее участков в. плоскости мембраны. При экспонировании в среде гелия расчетное значение сдвигов составляет сотые доли мкм при плотности миности. облучения 20мВт/см2. Предсказано, что увеличение мощности может привести к эффекту размытия границы переносимого , рисунка вследствие периодического смещения точек мембраны, вызванных сканирующим движением луча СИ по рентгено-шаблону.

При облучении электрически изолированных мембран СИ в вакууме вследствие фотоэмиссии . электронов мембрана заряжается. Максимальный потенциал мембраны может превышать среднюю энергию квантов СИ (1КэВ). Расчет по формуле для плоского конденсатора показывает, что под действием электростатического притяжения возможен прогиб мембраны в сторону подложки на десятки мкм.

Результаты исследований позволили сформулировать требования к технологическому оборудованию рентгеноэкспонирований и проводить текущую отработку технологии рентгенолитографии на СИ.

Расчеты спектрального, распределения СИ и ослабления излучения мембранами выполнены Назьмовым В.П.

- гз -

2.3.3. Разработка окон-фильтров для ВУФ-излучений.

Вакуумплотные окна, ' прозрачные з области ■ВУФ-спектра, обычно изготавливают из особых сортов кварца или флюорита. Однако коротковолновой границей пропускания таких стон, изготовленных из любых известных материалов, является длина волны порядка 110 нм. Предложенные и разработанные нами вакуумплотные окна [8,9]-прозрачны в более коротковолновом диапазоне:- в области 17+110 нм.' Их конструкция [8] базируется на известном использовании окна прозрачности тонких пленок некоторых металлов в ВУФ области спектра.

Разработанные вакуумплотные окна содержат металлическую пленку-фильтр, которая нанесена на микроканальную плгстину (МКП) как на подложку.. Каждое отверстие МКП (диаметром 5+50 мкм) перекрывается при этом указанной металлической пленкой, как. мембраной. Расчет способности мембраны без разрушений выдержать перепад давлений по обе стороны вакумноплотного окна можно вести как для круглой пластины, защемленной по контуру. Максимальное механическое напряжение бо оказывается з центре пластинки: 6o=0,42yb(gxa/h)2, где'Е -модуль Юнга, g -равномерно -распределенная по мембране нагрузка, а и h -радиус и толщина пластинки.

В соответствии с расчетом, мембрана может выдерживать без'-разрушений перепады давлений до 5 атмосфер (алюминиевая мембрана при толщине 80 нм).

•Спектр пропускания таких окон из пленок полосовой ; для алюминия полоса пропускания 17+75. нм; для индия полоса 73+110 нм; для олова полоса 51*82 нм; окна пригодны для ввода потоков излучения ВУФ-области спектра в'технологические камеры.

Разработанные мембранные устройства - рентгеношаблоны, окна-фильтры - позволяют создавать с использованием литографии на СИ микросхемы с практически.неограниченным размером кристалла -вплоть до. размер всей кремниевой подложки диаметром 80+100 мм. без применения мультиплицирования рисунка топологии мюфосхемы. Подобные возможности оказываются особенно важными при разработках в области. LIGA-технологии, при изготовлении микромеханических приборов.(LIGA- аббревиатура слов. Lithograple. Galvanoformung. Abformung; технология предназначена для изготовления микроструктур с использованием гальванофоомовки.)

2.4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ СОЗДАНИЯ И РАЗРАБОТКА ОПТОЭ-ЛЕКТРОННЫХ И ШКРОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ТРЕХМЕРНЫЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ МИКРОСТРУКТУРЫ

2.4.1. Разработка автоэмиссионных приборов с тонкопленочной микроструктурой на подложке.

Использование автоэлектронной эмиссии в вакуум для создания ненакаливаемых источников обеспечивает ряд преимуществ: отсутствует потребление энергии на эмиссию электронов; эмиссия устойчива к нагреванию приборов до высоких температур, к высоким уровням радиации; эмиссия безынерционна; локальная плотность тока эмиссии очень высока [10,111:

Змиссия электронов является квантовомеханическим эффектом и имеет место при "туннелировании" электронов сквозь потенциальный барьер на границе твердого тела.Из известного уравнения Нордгейма следует, что для получения плотностей тока порядка 102+юб А/см2 необходимы поля (3+5)-107 В/см.

Найдены простые формулы, позволяющие оценить значение напряженности электрического поля у поверхности микроэмиттера. Кромка пленки в виде лезвия обеспечивает усиление поля у кромки в сравнении со средним полем между электродами в число раз к-/Ь/г, где Ь и г- высота и полутолщина лезвия; если кромка оформлена в виде лепестка, то к=М/г(?, где 11,г и й- высота лепестка, его полутолщина и полуширина.

В соответствии с расчетом, пленочный эмиттер в виде лепестка должен иметь" 2г=0,01мкм, 1?=0,1мкм; при этом напряжение анод-катод имеет значение порядка 100В.

; Теоретическое и экспериментальное исследование возможности создания микроламп с автокатодом, проведенное под научным руководством автора, дало следующие основные результаты.

Изучены особенности электронной оптики микроламп, найдено путем расчетов и моделированием распределение электрических полей. эмиттирующих областей на эмиттерах, формы электронных по-

токов в межэлектродных промежутках микроламп, их электрические параметры. Были предложены и рассматривались варианты с направлением электронных потоков вдоль подложки (пленарные микролампы) и перпендикулярно подложке (микролампы с "торцевым катодом"). Управление величиной анодного тока триодов возможно или изменением поля у эмиттера за счет изменения потенциала управляющего. электрода, или за счет отклонения электронного пучка и его перераспределением между двумя анодами. Полевая эмиссия электронов имеет место только с части поверхности кромки эмиттера, не более ее 20+30%; электронный пучок имеет расходящуюся, веерообразную форму.

Обнаружено, что эффективность управления током анода в микролампе, определяемая по отношению крутизны 3 характеристики управления тском к величине анодного тока 1 СИЗ:

Б 6,65хЮ7-1?3/2-0-8(у)

7= р :

где в - геометрический фактор, характеризующий концентрацию поля у катода, см-1, мала. Для типичных значений поля и работы выхода в пленочной микролампе Б/1 =0,1 В-1.

Для сравнения: для термоэмиссионных ламп это отношение, в принципе, может достигать 11 В-1. Слабая управляемость объясняется отсутствием у поверхности автокагода области с нулевым электрическим полем (у ламп с термоэмиссией такая область может быть создана). Полезным же фактором является то, что прибор имеет "отсечку" тока при положительном потенциале анода вследс-твии резкой нелинейности вольтамперной характеристики микроламп.

При расстоянии анод-катод 0,2 мкм, анодном напряжении 200 В время пролета электронов в микролампе равно 2,4-Ю"14 с, что соответствует предельной рабочей частоте в режиме триодного генератора до 5-1012 Гц (X = 60 мкм).

Быстродействие в ключевом режиме работы определяется постоянной времени х разряда суммы межэлектродных емкостей С на внутреннее сопротивление лампы и может характеризоваться значением -с=1-10"7 с при потребляемой мощности 3-Ю"4 Вт.

Обнаружено существование топологического ограничения на величину предельных усредненных по поверхности автокатода токов эмиссии 3, обусловленного взаимным экранированием соседних ост-рий 112,133:

3 - 0,3-Лт- (£/£Ь,)2,

где - максимальная плотность тока эмиссии иа вершине острия при напряженности поля Ет на вершине, Е - средняя напряженность поля в зазоре- анод-катод. .

В обычных условиях усредненная плотность тока, как показывает расчет, не превышает 1+10 А/см2.

Разработанная технология тонкопленочных -трехмерных структур обеспечивает необходимые требования по геометрии электродов автоэлектронных ьшкроприборов. Именно использование краев свободных пленок в качестве .эмиттеров, предложенное автором в 1964г..[14], позволила применить эффект автоэлектронной эмиссии в микроприборах.

2.4.2. Исследование факторов; определяющих стабильность работы тонкопленочных автоэмиттеров [12,15,16].

• Найдено, что основная причина нестабильности пленочных автокатодов в условиях остаточного вакуума 1х10_8мм рт.ст, в микролампах - эрозия.их поверхности под влиянием микропробоев, локализованных на появляющихся на поверхности катода- микровыступах, рост которых инициируется ионной бомбардировкой.' Эрозия поверхности приводит, к изменению'макрогеометрии эмиттера, изме- . нению степени концентрации поля у катода.Изменение радиуса кромки на единицы ангстрем изменяет эмиссию на десятки процентов. Однако, форма эмиттера-в виде тонкопленочной'кромки обеспечивает режим "самозатачивания"' кромки, автоматического сохра-' нения той ее геометрии в течение срока службы микроэмиттера в микроприборе, которую она приобретает в некоторый начальный период работы, что стабилизирует эмиссию катода.

Проведены расчеты интенсивности ионной бомбардировки катода; выявлено, . что ионы образуются как на поверхности, анода, подвергающейся электронной бомбардировке, так и в вакуумном промежутке за счет ионизации остаточного газа. Значение плотности тока ионов недостаточно для объяснения наблюдающейся скорости эрозии катодов распылением ионами.

В результате.действия микропробоя на кромке катода инициируются- микронеровности, -.которые могут стать центрами новых пробоев. Процесс продолжается, и вся кромка эмиттера покрывается микровыступами, являющимися центрами эмиссии. Происходит самос-

- 2Г -

табилизация работы катода. Если режим катода изменен, то вновь возникают нестабильности и флуктуации тока эмиссии, постепенно работа катода вновь стабилизируется, но,на другом уровне полного тока эмиссии. Картина близка к исследованной Месяцем Г.А. с сотрудниками для случая импульсного наносекундного токоотбора.

Сформулированы рекомендации по обеспечению стабильной работы автоэмиттера в микролампе: использование;..конструкции катода в виде кромки тонкой пленки из тугоплавкого материала; сред-' нее электрическое поле в межэлектродном зазоре должно быть как можно Ъолыпе, 1хЮ®В/см и более, при малом анодном напряжении -не более сотен вольт.Выпполнение этих условий позволило получить приемлемые параметры эмиттеров.

' Перспективность использования кромки тонкой пленки в качестве i автоэмитгера подтверждают исследования Бондаренко В.В. и сотрудников, .которым.удалось получить важные результаты в достижении больших- сроков службы автокатодов'в непрерывном и импульсном режимах.' •

,2.4.3. Возможность существования стабильного высоковакуумного разряда в малых.зазорах между металлическими электродами с трехмерными микроструктурами на поверхности tl71.

Обнаружено существование в малых зазорах 10-20 мкм между металлическими электродами в высоком вакууме, при средних полях в зазоре до 5x10® в/см'процесса, имеющего черты вакуумного разряда: при приложении напряжения между' электродами протекают электронные и ионные токи, причем, интенсивности этих токов вза-имнозависимы • и обусловлены наличием остаточного газа в рабочем объеме.

■ Сказанное-подтверждается рядом особенностей, которыми характеризуется прохождение электронного тока с- автоэмиттера к аноду тонкопленочного микроприбора в высоком техническом вакууме .1 • 10"8+1 • 10~7 мм рт. ст. при средних полях до 5-106 В/см.

1) вольтамперная характеристика, снятая за короткое время, порядка долей секунды, соответствует уравнению Нордгейма, то есть,' ток эмиссии автоэлектронный; однако зависимость установившихся значений тока между электродами от потенциала анода имеет квадратичный характер;

2) ток эмиссии флуктуирует около среднего уровня с частотой порядка 0,1+10 с-1; при изменении среднего поля флуктуации временно увеличиваются, затем уменьшаются;

Как следует из раздела 2.4.2 настоящей диссертации, эмиссия происходит с микровыступов на кромке пленочного электрода. Так как электрическое поде усиливается на микровыступах, • эмиссионный ток начинается при невысоких средних полях на ' кромке. Долговременная стабильность установившегося тока между 'электродами обеспечивается самоподдерживающимся равновесием между процессами роста и уничтожения микровыступов.

Процесс эмиссии электронов сопровождается ионной бомбардировкой эмиттирующей кромки ионами остаточных газов, при этом активируется поверхностная диффузия материала катода, миграция адсорбированных слоев под действием сил электрического поля. На катоде растут микровыступы, которые при увеличении тока с них до предельного значения взрываются, инициируя микроразряд. Переход микроразряда в вакуумную дугу предотвращается ограничением тока внешней схемой. Сходство процессов в рассматриваемых условиях с процессами на катоде при взрывной эмиссии, как уже отмечалось выше, не вызывает особых сомнений.

Верхний предел плотности тока эмиссии с вершин микровыступов, при превышении которого микровыступы взрываются, зависит от степени вакуума, материала пленки, параметров схемы и для данных условий эксперимента величина предела примерно одинакова для большинства микровыступов. Взрывы микроострий обусловлены тепловыделением протекающего по ним эмиссионного тока, их нагреванием в условиях затрудненного теплоотвода. При увеличении среднего поля остаются неразрушенными более тупые микровыступы, эмиттирующая поверхность которых больше,' равновесие сдвигается в сторону более сглаженной поверхности кромки эмиттера; при уменьшении среднего поля микровыступы заостряются, не взрываясь, до меньших радиусов закругления. Можно получить выражение для оценки плотности тока 3 эмиссии катода после окончания процессов стабилизации эмиссии: ] =к]т(Е/Ет)2 , где кчис-ленный коэффициент, зт и Ет- максимально допустимые на вершине микровыступа плотность тока и напряженность поля, Е- среднее поле у катода.

Рассматриваемый подход. к анализу процессов в сверхмалых промежутках между электродами может иметь практическое применение также при исследовании и разработках устройств с вакуумной электрической изоляцией электродов: разрядников, вакуумных конденсаторов, и др.

2.4.4. Исследование принципов и разработка функциональных автоэлектронных приборов с трехмерными тонкопленочными микроструктурами электродов.

Рассмотрена работа приборов, обладающих энергонезависимой электрической памятью;- имеющих функцию регистра сдвига; индикаторных люминесцентных матричных панелей; ЭЛТ с микрокатодом; гибридных фотоприемников.фотодиод- автоэлектронный диод.

1). Разработка физических основ функционирования тонкопленочных автоэлектронных структур, обладающих электрической памятью.

Предложены автоэлектронные элементы памяти, потенциально обладающие возможностями ШВУ.

Физическим эффектом, который может быть использован для придания тонкопленочным эмиссионным структурам свойства "памяти". запоминания электрического состояния, в котором находится элемент, при выключении питания, является зарядка поверхности диэлектрика вблизи кромки пленочного эмиттера. Время сохранения памяти определяется временем отекания заряда по поверхности диэлектрика к электродам микролампы.Благодаря заряду диэлектрика вольтамперная характеристика диода имеет форму петли с гистерезисом, диод может иметь два состояния, отличающихся внутренним сопротивлением диода [18]. Аналогично может быть изготовлена триодная тонкопленочная структура с памятью. Такая структура содержит слой диэлектрика на поверхности управляющего электрода триода.

Найдено выражение для постоянной х времени памяти: T=kpleo, где р- поверхностная проводимость диэлектрика, 1- характерный размер элемента памяти, к- постоянный коэффициент порядка единицы, ео- электрическая постоянная. При использовании в качестве диэлектрика сапфировых пластин т =100-200час.

Предложена конструкция автоэлектрчнного тонкопленочного устройства, способного выполнять более сложные функции по обработке электрического сигнала, например, функции сдвигающего регистра С193. Устройство может быть изготовлено путем расположения на одной диэлектрической подложке ряда из автоэлектронных диодов с "памятью". Преимуществом этих устройств над аналогич-

ными по функциональному назначению полупроводниковыми ■ является • возможность работать, в жестких условиях- окружающей среды.

2) Разработка оптоэлектротных приборов,,; базирующихся на применении тонкопленочных .трехмерных автоэлектронных.структур.

На экспериментальном уровне исследован ряд.тонкопленочных . автоэлектронных приборов оптоэлектроники, -использующих такие свойства ■■автокатодов, как безнакальный характер эмиссии,безы-нерционность'эмиссии,, .значительные локальные., плотности тока, миниатюрность конструкции [15). ' , ' ■

Низковольтная излучающая автозлектроны. поверхность может быть изготовлена также с- использованием зарядки диэлектрического слоя С20]. Здесь эмиттерами являются, участки, кромки пленки, закрепленной с зазором на диэлектрическом слое, под которым находится "запускающий" электрод. Расчетное .рабочее напряжение такого катода менее 50 В. -. '

.Разработан точечный источник авгоэлектройов в виде .микро-■острий на кремниевой подложке, 'который-использовался В'качестве катода элекроннолучевой трубки. Ток,луча трубки бьш 20 мкА .при вытягивающем напряжении 600 В. - -- ". "

- Оба устройства отличаются от термоэмиссионных аналогов бе-зынерционностью 'включения и более высокой экономичностью эмиссии электронов.- ^ • -

- Предложена конструкция и разработаны устройства .визуальной индикации в виде люминесцентных автоэлектронных ячеек и индикаторных панелей (1976г.)., Индикаторная панель, содержит на парал- . лельных подложках скрещенные катодные и анодные шины, на которых расположены, соответственно, автоэлектронные-катодные ячейки и слой люминофора. Яркость ячейки составила 300 кд/м2, ток 2*3 мкА„ напряжение 400 В. Изготовлены*индикаторные'панели матричного типа 30x30, ячеек. . Индикаторные автоэлектронные панели потенциально, превосходят-любые, другие самосветящиеся панели по экономичности, .быстродействию переключения ячеек матриц.

Предложена конструкция й исследованы1параметры, гибридного фотоприемника,- содержащего -последовательно соединенные автоэлектронный диод и фотодиод. Интегральная'чувствительность прибора. к видимому свету порядка 6000 мкА/лм (для сравнения: мно-годалочные фотокатоды имеют чувствительность порядка 500 мкА/лм, фотокатоды с отрицательным сродством 1500+2000 мкА/лм.

При использовании германиевого фотодиода гибридный фотоприемник может обладать Чувствительностью в Ж-диапазоне. Массив таких гибридных фотоприемников в виде матрицы на подложке может служить основой при создании ЗОПов для диапазона длин, волн более 1-1,5мкм.

Таким образом, использование тонкопленочных автокатодов позволяет создавать также и оптоэлектронные приборы. Параметры таких приборов в ряде случаев потенциально выше, чем обычных-фотоэлектронных.

2.5.ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ФОРМИРОВАНИЯ ТРЁХМЕРНЫХ ТОНКОПЛЁНОЧНЫХ МИКРОСТРУКТУР

Исследованы принципы и предложены методы формирования на подложках трехмерных тонкопленочных структур в виде консольных ребер, стержней,игл, мембран, нитей, балок, имеющих характерные размеры от долей до единиц мкм, устройств из этих структур с обеспечением зазоров между краями до О,1мкм; ' массивов из этих устройств на подложках с числом, элементов 104-ю5шт2/см. Для формирования структур используются, кроме литографии, -впервые предложенные автором процессы основанные на разнообразных физических эффектах: , теневое напыление, самосовмещение [343, формовка с помощью электростатических сил, ионно-плазменное анизотропное травление, диффузионное получение микрополостей и микрощелей, формовка с испрользованием поверхностного натяжения расплава и др. [383

Для изготовления вертикально стоящей на подложке пластинки толщиной до 500 А и высотой 5 мкм применялось использование в качестве, временной, впоследствии удаляемой- травлением опоры боковой вертикальной стенки выступа на поверхности подложки, на которую материал пластинки наносится напылением в вакууме [213. Узкие вертикальные полоски высотой до 20 мкм при сечении 2x0.05 мкм получали формированием их горизонтальными с последующим отгибом в вертикальное положение электростатическим полем и фор-мозакрепляюпдам отжигом [16,213. Острые вершины пленочных острий автокатодов формуются двукратным ионным травлением со сдвигом границы травления [223.

Для получения субмикронных зазоров предложено теневое напыление, когда зазор между краями пленок образуется в "тени" рельефа [143, самосовмещение последовательно формируемых слоев микрорисунков: предыдущий слой является маской при напылении материала последующего слоя [233, использование диффузии материала пленок при их нагревании на подложке (эффект Френкеля) [243. В последнем случае необходимо, чтобы скорость поверхностной диффузии более тонкой пленки Di была меньше, чем скорость 'объемной диффузии D12 материала этой пленки в находящуюся с ней в контакте вторую, более толстую пленку: Di<Di2. Если Di<<Di2, то можно получить простое выражение для ширины получающегося зазора: где t- длительность процесса диффузии.

Расчет дает условия получения зазора Ю_5см: для пары C-MO: t=103c,-Т=530°С; для пары C-W: t=104c, Т=530°С. Экспериментально был получен зазор <1СГ4см в паре Ni-Mo при Т=800°С, t=1800c.

Предложен метод получения вертикальных столбиков на подложке с использованием иоттого или ионно-реактивного травления подложки через маску в виде шариков. Вначале на подложке формируется с помощью литографии рисунок из устойчивого к травлению материала, например, золота, в виде матрицы дисков толшдаой h и диаметром D. Если материал дисков плохо смачивает подложку, то при нагревании подложки до расплавления слоя маски диски сплавятся в капельки-шарики диаметром: d=;V3D2h.

Диаметр шариков можно получить меньше, чем позволяет современная литография, например, если D=0,5 мкм, Ь=0,02 мкм, то d=0,25 мкм. Диаметр вытравленных из материала подложки столбиков также будет порядка 0,25 мкм, с сужением к верхнему концу из-за травления шарика-маски.

Диффузия может Сыть применена для получения внутри тонкопленочной структуры герметичных микрополосгей, искусственных пор, имеющих характерные размеры от долей до единиц мкм [253: нанесенный на подложку из сапфира буферный материал, например, медь, повторяющий по величине и конфигурации необходимую микрополость, закрывают герметизирующим (никель, молибден) слоем, нагревают до прохождения диффузии буферного материала в герметизирующий слой и образования микрополостей.

Изготовлена трехмерная товкопленочная микроконструкция на подложке с применением некоторых из указанных приемов [26]. На кремниевой подложке получены вертикально стоящие кремниевые острия-автокатоды, • над которыми закреплена на высоте 1 мкм металлическая пленка с отверстиями-диафрагмами диаметром 5 мкм против острий. Подложка содержит подобные ячейки, расположенные с шагом 10 мкм.

Возможности описываемой техники в миниатюризации структур, в достижении предельных значений разрешающей способности формирования элементов структур не ограничиваются возможностями литографии, являющейся только стадией в данной технологий. Дальнейшее развитие техники трехмерных структур, вероятно, необходимо связывать с разработками не только опто- и микроэлектронных приборов,. но и в областях микромеханики, нанотехнологии, функциональных приборов самого широкого применения.

2.6. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИОННО-РЕАКТИВНОГО ТРАВЛЕНИЯ ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР В ПЛАЗМЕ ФРЕОНОВ

Для получения на подложках глубоких рельефов с отвесными стенками, что необходимо при изготовлении тонкопленочных трехмерных структур с большим аспектным соотношением, была предложена не имевшая в то время (1974г.) [27]. аналогов технология травления подложек ионами и радикалами, образующимися в плазме фреонов. В известных установках, использовавших плазму фреонов, травление было изотропным, так как подложки помещались в плазму с давлением газа сотни Па.

По предложенной технологии плазма возбуждалась помещенным в среду фреона с давлением 1*10 Па плоским водоохлаждаемым электродом, к которому от генератора подводилась ВЧ-мощность на частоте 13.6 МГц; в объеме зажигалась плазма, на ВЧ-электроде появлялось постоянное отрицательное относительно плазмы смещение порядка 300+600 В.

Образцы травились ионами и радикалами, образующимися в плазме. В результате взаимодействия указанных частиц с веществом подложки образовывались газообразные продукты, которые откачивались. Для обеспечения равномерности травления по площади

ВЧ-электрода, /величина темного катодного пространства должна составлять малую долю поперечника' электрода; реально' ее величи-. на была порядка 1•1СГ2 м. Получены!вертикальные рельефы высотой до 5 мкм.. . - -, ......

Разработана.соответствующая установка ионно-реактивного травления. ' Технология'и подобные установки широко, использовались в НПО "Восток" в производстве микросхем начиная с 1976г.

2.7. РАЗРАБОТКА ФИЗИК0-ТЕХНИЧЕСКИХ ОСНОВ ЛАЗЕРНО-ПИРОЛИТИЧЕСКОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И ОБРАБОТОК СВОБОДНЫХ ПЛЕНОК ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР

2.7.1. Физическая модель . роста пленок.при наносекундном лазерном.инициировании процессов •

Известно, что химические реакции,- протекающие при осаждении пленок с применением непрерывного лазерного •облучения, в основном, аналогичны реакциям при.обычном пиролитическом осаж-. дении. • Лимитирующей стадией является обычно подвод реагентов к .• зоне реакции. " '" , .

Необходимым условием рассматриваемого импульсного наносе-кундйого лазерного пйролитического выращивания- пленок является • высокая мощность облучения подложки - порядка' (1-^-5) -10а Вт/см2, ■что на 2-4 порядка величины превышает'мощность прииспользова-' нии-непрерывного лазера. В центре лазерного!пятна при использовании, например, азотного лазера.с'длительностью'импульса 6 не -к концу импульса с плотностью мощности 10® Вт/см2 температура достигает в случае ..никелевой-пленки -.1740 к,- при большей мощности осажденная пленка может быть испарена [28,29,30,373.

Для исследования кинетики роста пленок рапространим на ла-■ зерно-пиролитический процесс известное выражение для лазерной десорбции частиц с энергией, активации д:

N = No е

где No - начальная концентрация адсорбированных-• частиц; v -частотный фактор порядка 1012+1016 с; Tit) - зависимость температуры поверхности от времени.

Основанием для подобного применения этой формулы является тот факт, что пиролиз- активируемый процесс.

Анализ выражения показывает, что процесс может происходить в виде короткого импульса, имеющего длительность в несколько раз меньшую, чем лазерный импульс, и что слой адсорбата разлагается полностью за один импульс облучения.

Расчеты с учетом форм лазерного и температурного импульсов на подложке и числа ударяющихся о подложку газовых молекул показали, что облучение подложки лазерным импульсом приводит, кроме получения слоя металла, к хемосорбции на нем активных газов (кислорода), десорбции физически адсорбированных молекул и атомов; слой металла образуется или в течение температурного импульса за счет терморазложения молекул карбонила, ударяющихся в это время о подложку, или за счет разложения адсорбированных за время между импульсами молекул карбонила. В последнем случае скорость осаждения больше.

Каждый последующий лазерный импульс при надлежащей его мощности десорбирует хемосорбированные молекулы активных газов, чем очищает растущую пленку металла от загрязнений окислами даже в условиях окислительной атмосферы. Скорость роста пленки металла, рассчитанная с учетом размеров молекул карбонила и атомов рения равна 0,67-10"2 м/с, что подтверждается и экспериментами.

Таким образом, показано, что при импульсном наносекундном пиролитическом процессе, кроме стадий реакции, типичных для непрерывного облучения - диффузия к'поверхности, адсорбция, химические превращения, десорбция и диффузия продуктов реакции от поверхности - необходимо учитывать вторую стадию десорбции, вынуждаемую последующим лазерным импульсом.

Нарастающая пленка рения оказывается слабо загрязненной кислородом, окислами и другими летучими при температурах лазерного импульса на подложке веществами, даже при проведении процессов в атмосфере кислорода. В этом состоит одно из существенных отличий исследуемого импульсного процесса от технологии с непрерывным лазерным излучением.

Эксперименты по выращиванию пленок металлов методом импульсного наносекундного лазерного пиролиза подтвердили, з основном, сделанный выше вывод. Процесс лазерного осаждения, без видимого ухудшения качества получающихся" пленок, мог проводиться в атмосфере воздуха, при давлении, равном атмосферному.

• 2.7.2. Разработка методов лазерной графики с использованием наносекундного лазерного пиролиза паров элементоорганйческих соединений.

Предложена и разработана технология нанесения рисунка, в виде тонких линий из слоев металлов, диэлектриков и др. на свободную тонкую пленку, являющуюся элементом трехмерной мшфо-конструкции. исключающая возникновение механических разрушающих, нагрузок в местах обработок [32]. Используется лазерный пиролиз паров злементоорганических соединений при наносекундных.длительностях облучения. Выбор наносекундных длительностей лазерного' импульса обусловлен . необходимостью исключить разрушение тонкопленочных свободных структур при нанесении на них рисунка. За время импульса t температурный фронт в облучаемом теле neper мещается на расстояние: d=/at, где а- температуропроводность тела. При толщинах пленок 1мкм требуется t<10HC.

•Применение термохимического действия наносекундного лазерного • излучения (окисление металлических пленок) для формирования, рисунков на подложке подробно исследовано В.П.Вейко.

Для формирования оптического изображения автором применен оригинальный вариант контурно-проекционного метода, отличающийся использованием освещения диафрагмы сканирующим лазерным пучком- [28,313.

Разработанная установка лазерного рисования содержит азотный лазер Лга-505, ■ излучающий в импульсе 6 не; объектив формирует на подложке изображение маски; сканирование маски лазерным пучком, обеспечивается дефлектором; подложка перемещается под объективом с помошыо столика с аэростатической подвеской и обдувается парогазовой смесью карбонила и газа-носителя.

За один лазерный импульс' на подложке вырастает островок пленки в виде квадрата и толщиной 0,5+1,0 А. При рисовании дорожки подложка перемещается с равномерной скоростью, причем соседние квадраты осадка частично перекрываются со степенью перекрытия 0,999,

Предложенные технические решения- сканирование луча и перекрытие пятен осадка.при рисовании линии - позволили получать рисунки с высокой степенью-равномерности толщины осадка; неровность краев рисунка не хуже 0,2 мкм, адгезия к подложке хорошая. -При нанесении пленок рения получены результаты: сопротивление' дорожки порядка 1,0 Ом/кв., скорость рисования от 7 до 200 мкм/спри ширине линии 10 мкм 129,30].

Разработанный процесс нашел также применение для целей, не связанных- с формированием трехмерных структур: используется для ретуши дефектов типа ."прокол рисунка" фотошаблонов и рентгено-шаблонов, дефектов икал и сеток в оптическом производстве, ремонте линий разводки микросхем [28,31].

Описанная техно;. пия,по литературным данным, не уступает, в ряде случаев превосходит по качеству рисунка известные отечественные и зарубежны? результаты. Технология может найти широкое применение, особенно при экспрессном изготовлении каких-либо устройств с мигсрорясунксм малы/;-; сериями.

2.7.3. Разработка лазерной очистки поверхностей от посторонних пылевидных частиц с использованием импульса реактивной отдачи.-

В тонкопленочной•технологии и микроэлектронике ванна проблема очистки поверхностей подложек и микроструктур от загрязнений, так как опасны даже единичные посторонние частицы размером в мкм. Предложено для удаления с поверхностей подложек посторонних частиц облучать подложки одиночным наносекундным или более коротким лазерным импульсом, направляя лазерный луч под острым углом к поверхности [31,33,35]. Возникающие при облучении и частичном испарении вещества пылинок пары создают реактивный импульс отдачи, действующий на частица преимущественно в направлении луча и сбивающий их с подложки. В соответствии с законом сохранения импульса и с учетом того, что пары заполняют половину полного пространственного угла, можно записать: ко=2/Зхтпуп. где ко -реактивный импульс, получаемый частицей при лазерном облучении, Шп-и уп -испаренная масса и среднеарифметическая скорость молекул пара.

Эффект очистки может быть оценен на основании известных экспериментальных данных по величине удельного реактивного импульса отдачи к=7/£0 (Е0- энергия лазерного импульса) при нормальном падении лазерного луча на плоские мишени: (1+5)-Ю-5

Н-с/Дж -для металлических, (10*15)-10"5 Н-с/Дж -для легко испаряющихся диэлектрических мишеней; данные были получены на длине волны излучения 1.06 мкм.

Найдено выражение для определения ускорения, испытываемого частицей: Г 3 Ш

т 4р /?

где И=ЕУД/Ь -интенсивность лазерного излучения, р и й - плотность и радиус частицы в виде шара.

При интенсивности лазерного излучения до №=1013 Вт/м2 величина ускорения может доходить до 109 - 1010

Длительность лазерного импульса выбирается такой, чтобы испарялась лишь часть удаляемой частицы, так как пары, оседая на подложке, загрязняют ее. Перемещение фронта испарения в металле равно перемещению за время импульса температурного фронта

при неподвижной границе тела, то есть, пропорционально уЯГ, где а - температуропроводность металла. Для большинства металлов при длительности импульса 1 не это перемещение составляет 0,1+0,3 мкм, то есть долю поперечника удаляемой частицы.

Энергия лазерного импульса, вызывающая эффект очистки, равна УЬ и, при указанных условиях, должна быть порядка 104 Дж/м2.

Процесс использовался при изготовлении эталонных рентгено-шаблонов и их периодических чистках.

Посторонние частицы могут удаляться как при облучении удаляемой частицы сфокусированным пучком излучения, так и облучением значительной поверхности загрязненной подложки лазерным лучом, направленным под острым углом к поверхности. При этом термические повреждения очищаемой поверхности будут минимальными. Предложенный процесс является "сухим" и производит очистку дистанционно.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ

1) Предложены физико-технические основы создания динамических микромехнических оптоэлектронных устройств с магнитоэлектрическим приводом и устройств с низковольтным электростатическим^ приводом ("с закреплением края мембраны на управляющем электроде").

Разработаны технологические процессы получения монокристаллических гонкопленочных микроструктур путем избирательного травления монокристаллической подложки с разрешением до 1-2 мкм. Экспериментально подтверждена возможность существенного увеличения быстродействия, улучшения экономичности выполнения функций модуляции и отклонения световых пучков при использовании микромеханических структур. Изготовлены образцы дефлекторов - модуляторов с магнитоэлектрическим приводом, имеющих при апертуре 5x5 мм резонансную частоту 30 кГц при угле отклонения до 30 град.Полученные параметры превосходят известные по литературным данным характеристики аналогов обычной конструкции.

2) Предложены физико-технические и технологические основы создания вакуумплотных тонкопленсчных мембран, прозрачных в ВУФ и мягком рентгеновском диапазонах спектра излучений,согласующихся по апертуре с источником СИ; созданы соответствующие конструкции.

3) Предложены физлко-технические основы создания низковольтных автоэлектронных приборов эмиссионной электроники и оп-тоэлектроники на Сазе использования трехмерных тонкопленочных микроструктур. Разработаны принципы конструирования функциональных автоэлектронных устройств: диодов, триодов, регистров сдвига, автоэмиссионных ячеек "памяти", люминесцентных индикаторных панелей, гибридных автофотоэлектронных устройств. Выявлены дестабилизирующие эмиссию факторы, определена важнейшая роль использования кромки тонкой пленки как автоэмиттера в обеспечении стабильной его работы в высоком (1-10~8-1-10~7 мм рт.ст.) вакууме микроприборов; обнаружен эффект постоянного самообновления эмиттирующей кромки тонкой пленки эмиттера при постоянном токоотборе и его важнейшая роль в обеспечении длительной работы микроприборов; обнаружена возможность существования самостоятельного высоковакуумного разряда в сверхмалых зазорах между электродами при электрических полях между ними <1-51-10® в/см.

4) Предложены физико-технические основы создания трехмерных • тонкопленочных микроструктур на подложках для функциональных устройств опто- и микроэлектроники. Предложены конструкции и разработаны технологии изготовления трехмерных» микроструктур

в виде микроскопических балок, острий, лезвий, диафрагм, мемб- . ран, консолей, микрополостей с характерными размерами в. доли и единицы мкм и разрешением до 0,1 мкм и сложных конструкций из этих элементов; технология- позволяет изготавливать на;одной . подложке матрицы подобных устройств с плотностью до 10б см-2.

5) Предложен метод реактивного ионно-плазменного травления поверхностных структур тонкопленочных и полупроводниковых приборов. Исследованы ■физико-технические основы избирательного травления пленок металлов, диэлектриков и полупроводников. Разработаны установка плазмохимического травления и производственная технология травления, в том числе, технология травления глубоких рельефов с. отвесными стенками в металлах, необходимая при изготовлении трехмерных тонкопленочных структур.

Технология широко использовалась также в производстве микросхем.

.6) Предложены и разработаны методы пучковых лазерных обработок тонкопленочных структур и мембран, не приводящие к разрушению тонких пленок, за счет применения импульсного наносекунд-ного воздействия. Выявлено," что процесс выращивания пленок из парогазовой фазы с помощью ультрафиолетового лазера ЛГИ-505, имеет пиролитический характер; скорость роста осадка , при использовании пиролиза паров карбонилов металлов, достигает в импульсе 6-10"2 м. Разработана технология лазерного получения рисунков на тонких пленках и мембранах при атмосферном давлении реагентов, не требующая реакционной камеры при проведении процессов "рисования".

Предложен механизм роста осадков в ■ лазерно-пиролитическом наносекундном процессе, объясняющий выявленные экспериментально факты. • •

Разработана установка лазерного импульсного нанесения пленок металлов на подложки: Разработана технология лазерной ретуши дефектов типа "прокол рисунка" рентгеношаблонов и фотошабло- ■ нов.

Установки и технология ретуши используются в производстве микросхем и при ретуши шкал и сеток в оптическом производстве.

7) Предсказан теоретически и подтвержден экспериментально эффект удаления с подложки пылевидных загрязнений импульсом отдачи при облучении загрязненной поверхности мощным лазерным лу-чем;Технология'1, основанная на этом эффекте, использована при сухой неразрушающей очистке мембран рентгеношаблонов.

8) Отдельные результаты работы могут быть использованы и используются в других' смежных областях науки и техники:

- разработанные процессы лазерного пиролитического наносе-кундного получения рисунка могут быть применены при ретуши рисунка фотошаблонов, оптических шкал и сеток, ремонте развоДки микросхем для уменьшения брака при их производстве и, особенно, при разработке новых микросхем; в технологии лазерографии;

- предложенные и исследованные принципы интегрального из, готовления из монокристаллического кремния магнитоэлектрических

тснкопленочных устройств могут быть применены в разработках механизмов шлейфовых дефлекторов светолучевых осциллографов, све-толучевых устройств записи сигналов. При этом основные параметры механизмов будут существенно улучшены при многократном уменьшении стоимости их изготовления;

- предложенные и исследованные процессы лазерного удаления посторонних частиц с подложек и тонкопленочных мембран могут быть применены в технологиях нанесения тонких пленок на подложки в микроэлектронике: при вакуумном напылении, при плазменном нанесении, при эпитаксиальном газофазном наращивании, и др., так как указанные процессы позволяют удалять частицы дистанционно, непосредственно в аппарате нанесения пленок и в ходе выращивания слоев; лазерная очистка может способствовать существенному уменьшению дефектности наносимых слоев и. тем самым, увеличению выхода годных микросхем и оптоэлектронных приборов.

- технология мембран большой площади может быть использована при разработках и производстве рентгеношаблонов для ИСЗА-технологии изготовления устройств с объемной микроструктурой.

ДОСТОВЕРНОСТЬ полученных результатов подтверждается их широким использованием при выполнении НИОКР по государственным программам, связанным с развитием вакуумной микроэлектроники и рентгенолитографии, субмикронной технологии, воплощением предложенных научных положений, методов, конструкций в реальных

технических устройствах и технологиях; применением конкретных устройств и технологий в производстве и исследованиях; близостью полученных теоретических предсказаний и экспериментальных результатов; параллельными и последующими работами отечественных и зарубежных исследователей.

Результаты, полученные автором в исследованиях, находятся на уровне зарубежных известных на момент проведения работ исследований.

Результаты диссертации используются в учебном процессе НИ-ИГАиК при выполнении курсовых и дипломных работ студентами оптических специальностей.

Проведенные в работе исследования, предложенные и апробированные научные и технические принципы создания оптических, оптоэлектронных и микроэлекгронных приборов, базирующихся на использовании тонкопленочных трехмерных микроструктур на подложках, обеспечивают решения как практических, так и перспективных задач в области конструирования и изготовления современных приборов, разработки технологий, имеющих уникальные характеристики. Внедрение найденных научно-технических решений вносит существенный вклад в ускорение развития ряда направлений в оптоэлектронном и микроэлектронном приборостроении.

Работа является обобщением исследований, проводимых в течение ряда лет под научным руководством автора и самим автором в научно-исследовательском институте Министерства электронной промышленности и в НИИГАиК. Усилия автора в течение указанного периода были направлены на исследования и разработку по планам НИОКР конкретных приборов, установок и технологий, которые использованы и используются в ряде организаций. Основное содержание полученных научных результатов отражено в 43 авторских свидетельствах на изобретения, защищающих приоретет автора, его сотрудников и организаций, где он работал, на найденные научные, конструкторские и технологические решения, а также в докладах на Всесоюзных и международных конференциях и симпозиумах, в статьях центральных, республиканских и международных изданий.

Учитывая изложенное, а также постоянную загруженность в течение указанного периода выполнением в качестве научного руководителя разработок по планам организаций, автор посчитал возможным представить данную диссертацию в форме научного доклада по проведенным исследованиям.

Автор диссертации является автором научных идей, конструкторских и технологических решений, лежащих в основе указанных выше результатов. Лично автором в а.с. предложены идеи изобретения, формулы и структурные схемы. В остальных работах автору принадлежит постановка научных задач, методика проведения исследований; соавторы принимали участие в технических решениях и проведении.эксперимента. В работах по исследованиям в области рентгенолитографии с использованием-СИ, проводимых совместно с ИЯФ СО РАН,- публикации по которым выполнены в соавторстве с коллективом авторов, личный научный вклад соискателя заключается в научных идеях и технических решениях получения мембран большой площади и рентгеношаблонов; ' исследования же процессов рентгенолитографии проводились им совместно с соавторами.

Перечень основных публикаций представлен ниже:

1. A.c. 363398 СССР, МКИ G 02 F 1/18. Мебранный модулятор света./ В.В. Чесноков (СССР).- N 1420256; Заяв. 7.04.70; Не

- опубл.

2. A.c. 359997 СССР, МКИ S 02 F 1/18. Мебранный модулятор света./ В.В. Чесноков (СССР).- N 1420257; Заяв. 7.04.70; Не опубл.

3. A.c. 314304 СССР, МКИ H 03 К 17/52. Электростатическое реле./ В.В. Чесноков (СССР).- N 1395318; Заяв. 2.02.70; Опубл. 7.09.71, Бюл. N 27,- 2с.: ил.

4. A.c. 1569783 СССР, МКИ G 02 В 26/10. Сканирующее магнитоэлектрическое устройство./ В.В. Чесноков,- N 4325366; Заяв. 9.11.87; Опубл.07.06.90. Бюл. N21.

5. Чесноков В.В. Микромеханические модуляторы света.// Изв. вузов. Сер. "Приборостроение".- 1990.- N6.- С.82.

6. Создание технологии рентгенмигографии с использованием СИ, позволяющей получать линии до 1 мкм на пластинах диаметром 76 мм и экспериментального участка технологических исследований рентгенолитографии./Отчет об ОКР, шифр "Рондо-1, ЦНИИ "Электроника", руководитель Чесноков В.В. Гос. per. N ДА 20442, отр. per. N1002578. M. 1981г.-122с.

7. Разработка и . внедрение . рентгенолитографии интегральных схем./ Отчет об ОКР, шифр'';Рондо-2", ЦНИИ'"Электроника", руководитель Чесноков В.В. .Гос. per..N Ф 17182, отр.-per. N 2001579. М. Í982г.-80с. / ' ,

8. А: с. ' 1578772 СССР,.. МКИ Н 01 J 5/18 Вакуумплотное окно для излучения./ В.В. Чесноков.- N.4234474; Заяв. 27.04.87;

"Опубл!.15.07.90, Вол. N 26. ~ - * -

9. Чесноков В;В), Федченко В.И.:-, Назьмов ВЛ1. Study of SR beam line windows within'the range of 17-80 nm.// Nuclear Instruments and Metod in Phlsics Rese'artch, A308.1 1991,-P.333-335, North-Holanda ' '

10. Чесноков.В.В. Современное состояние техники автоэлектронных катодов.//.Обзор-N9, Сер. Электровакуумные.приборы./ Ин-т "Электроника".- 1968,- 37с. f

• 11. Чесноков В.В.. . Электронные• лампы.с автоэлектронными катодами.// Сер.5, Электр., техн./ Ин-т "Электроника".- 1968,-Вып.4(12).- С.3-11. - ,,."'•.',

12. Третьяков Г.И., Чесноков, В.В., Дюков В.Г. Эмиссионный микроскоп с комбинированным иммерсионным объективом.// Электронная промышленность/ ЦНИИ "Электроника".-1973.- вып. 9 (23).-С.48-50 . ' ' '.

•13." .Чесноков В. В. Вопросы расчета предельных автоэмиссионных параметров многолезвийной катодной поверхности.// Тез. II симпоз. по сильноточной' эмиссионной электронике, май 1975г.;, -Томск.- Томск,'1975,- С.43.

.14. А.с..5174727 СССР, МКИ Н 01 J Z\g. 13/20. Способ изготовления. аЬтоэлектрошгаи. пленочной электродной системы./ В.В.' Чесно-' ков (СССР).- N 910095; Заяв; 8.07.64; Опубл. 07.09.65, Бюл. N 18.- 2с.: ИЛ.

15.' Чесноков В.В., Гайлес В.М., Домахина A.M., Сименштейн Л.С., - Саттаров Ш.Ш. Автоэлектронные.микрокатоды в приборах микроэлектроники.// Изв. АН СССР. Сер. физическая.- 1976,-Т.,40.- N8.- С. 1585-1588..

16. Создание экспериментальных образцов автоэлектронных актив-• . ных элементов. Отчет о.НИР, шифр "Рикошет".НИИ "Электроника", ■ руководитель Чесноков В.В.Гос. per.N У 06986, отр.per.N 3371392. М. 1979г..

17. Чесноков. В.В. О - возможности существования стабильного высоковакуумного, разряда в малых зазорах между металлическими электродами.// Письма в журн. техн. физики.- 1975.- Т.'1.-Вып.З.-. С. 152-155. ■ -'..■

18. A.c. 393777 СССР*, МКИ Н Ol J 21/04. Автозлектронный диод./ В.В. Чесноков'(СССР).- N 1661902; Заяв. 31.05.71; Не опубл.

19. A.c. 445088.СССР,- МКЙ Н Ol-,J 21/10 . Электровакуумный прибор./ В.В. Чесноков (СССР).-'N 1661877; Заяв. 31.05,71; Опубл. 30.09.74, Бюл. N 36.-. Зс.:'ил.

20. A.c. 376826 СССР, МКИ Н Ol J 1/30. Автоэлектронный катод./ В.В. Чесноков.(СССР).-N 1634261; ' Заяв.. 9.03.71; Опубл. 5.04.73, БЮЛ. N 17.- 2с: ил.

21. A.c. 346766 СССР, МКИ Н Ol. J 9/02, Н Ol J 1/30. Способ изготовления автоэлектронного катода./ В.В. Чесноков (СССР).-N 1319919; Заяв. 8.04.69; Опубл. 28.07.72, Бюл. N 23.- 2с.: ил.

22. A.c. 586811 СССР, МКИ Н Ol J 9/02/ Способ изготовления ост-рийных автокатодов. / В.В. Чесноков, В.М. .Гайлес, А,М. Дома-хина, В.М. Масловский, Л.С. Симегаптейн, - Г.И. Третьяков (СССР).- N 1963143; Заяв. 3.10.73; Не опубл.

23. A.c. 314454 СССР, МКИ Н Ol J 21/10. Электронный прибор./ В.В. Чесноков (СССР).- N 1045840; Заяв. 27.12.65; Не опубл.

24. A.c. 347008 СССР, МКИ Н 05 К 3/02. Способ изготовления тонкопленочных металлических электродов./ В.В. Чесноков (СССР).- N 1604262; Заяв. 7.12.70; Не опубл.

25. A.c. 345639 СССР, МКИ Н 05 К 3/00. Способ изготовления герметизированной микрополости./ В.В. Чесноков (СССР).-N.1604684; Заяв. 7.12.70; Опубл. 14.07.72, Бюл. N 22.- 2с.: ил.

26. A.c. 609144 СССР, МКИ Н Ol J 9/02. Способ изготовления ка-тодно-сеточного узла с автоэлектронным катодом./ В.В. Чесноков, В.М.Гайлес, А.М. Домахина, Л.С. Сименштейн (СССР).-N 2347613; Заяв. 12.04.76; Опубл. 30.05.78, Бюл. N 20.-2с.: ил.

27. Разработка и внедрение технологии плазмохимического травления структур интегральных схем памяти взамен жидкостного травления с целью улучшения качества, снижения трудоемкости. Отчет об ОКР. ЦНИИ "Электроника", руководитель Чесноков В.В. Гос per. N У 17939, отр. per. N 5376055 М. 1975г.

28. Разработка процессов и оборудования, обеспечивающих увеличение производительности при рентгенолитографии с использованием СИ микросхем, имеющих повышенную площадь модуля. Отчет о НИР, шифр "Рондо-4".ЦНИИ "Электроника", руководитель Чесноков В.В.Гос. per.N У 14777, OTp.per.N 4005450. M. 1985г.

29. Чесноков В.В., Резникова Е.Ф. Прямое осаждение на подложку металлических пленочных рисунков с использованием азотного лазера.// Тез. докл. IV международ, конф. по когерентной и нелинейной оптике, 24-27 сент. 1991г., Ленинград,- Ленинград, 1991.

30. Чесноков В.В., Резникова Е.Ф. Прямое осаждение на подложку металлических пленочных рисунков с использованием азотного лазера.// Тез. международ, конф. "Laser Optics-93", 21-25 июня 1993г., С.-Пет.- С.-Пет., 1993,- С.533.

31. Чесноков В. В. Лазерная очистка поверхностей от посторонних частиц.// Изв. вузов. Сер. "Приборостроение".- 1993.-N3.-C81-83.

32. A.c. 1331369 СССР, МКИ H Ol L 21/312, G 03 F 1/00. Способ локального нанесения покрытия на подложку./ В.В. Чесноков, C.B. Земсков, И.К. Игуменов (СССР).- N 3936434; Заяв. 6.06.85; Опубл. Бюл. N 30.// Открытия. Изобретения,- 1987.-С.260.

33. Разработка экспериментальной установки ретуши проколов рисунка оптических шкал и сеток: Отчет заключительный/MB и ССО РСФСР. НИИГАиК; Руководитель В.В.Чесноков.N

■0189.0072495; инв. N02900053096. Новосибирск, 1990г.,-95с.

34. Чесноков В.В., Гайлес В.М., Морозова H.A. Исследование некоторых вопросов методики изготовления пленочных автоэлектронных диодов и триодов.// Сер.5, Электр, техн./ Ин-т "Электроника".- 1968,- Вып.3(15).- С.34-41.

35. Чесноков В.В. Лазерная очистка поверхности от посторонних частиц.// Итоги XL11 научно- технической конференции НИИГАиК: Межвузовский сб. научн. тр./ НИИГАиК. Новосибирск, 1993. -с. 75-76.

36. Чесноков B.B. Микромеханические мембранные структуры в электронике.// Итоги XL11 научно-технической конференции НИИГАиК: Межвузовский сб. научн. тр./ НИИГАиК. Новосибирск, 1993. -с.68-70.

37. Чесноков В.В., Земсков C.B., Игуменов И.Г. Лазерно-химичес-кое осаждение пленок металлов.// Тез. докл. 5 ограсл. науч-но-техн. конф. "Тонкие пленки в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем".- Нальчик, 1983.

38. A.c. 995655 СССР, МКИ H 01/ 21/ 312. Шаблон для экспонирования пластин рентгеновскими лучами./ В.В. Чесноков, Л.Д. Артамонова, Н.Д. Иванцова, Г.А. Черков, A.M. Домахина (СССР).- N 3269722; Заяв. 13.01.81; Не опубл.

39. A.c. 1217196 СССР, МКИ H 01 21/312. Способ изготовления рентгеношаблона./ В.В. Чесноков, A.M. Домахина, Г.В. Глуз-дакова, Н.Д. Иванцова (СССР).- N 3773255; Заяв. 12.07.84; Не опубл.

40. Глускин Е.С., Красноперова A.A., Кулипанов Г.Н., Назьмов В.П., Пиндюрин В.Ф., Скринский А.Н, Чесноков В.В. Эксперименты по рентгеновской литографии с использованием синхрот-ройного излучения накопительного кольца ВЭПП-2М. // Nuclear Instr. and Mehtods.- 1983.- v.208.- P.393-398.

41. Скринский A.H., Шелюхин Ю.Г., Глускин Е.С., Кулипанов Г.Н., Чесноков В.В.. Применение синхрогронного излучения в микроэлектронике.// Электронная промышленность.- 1983.-Вып.1(118).- С.43-45.

42. Разработка и внедрение технологии изготовления рентгеношаб-лонов, обеспечивающих увеличение числа годных модулей площадью 200 мм2 и выхода годных до 5%. Отчет об ОКР, шифр "Рондо-3". ДНИИ "Электроника", руководитель Чесноков В. В.Гос. per. N У 00684, ВИШ Е 41808 М. 1984г.

43. Исследование возможностей создания электронных ламп с использованием автоэлектронной эмиссии. Отчет о НИР, шифр "Риск". НИИ "Электроника", руководитель Чесноков В.В. Гос.per. N69023203, отр.рег. N Б 018015. М. 1968г.

44. A.c. 1217185 СССР, МКИ H Ol L 21/268. Способ очистки поверхности полупроводниковых структур./ В. В. Чесноков (СССР).- N 3609828, Заяв. 27.06.83; Не опубл.