Введение к работе
Актуальность диссертации. Микросистемная техника (МСТ) в настоящее время представляет собой быстро развивающуюся и становящуюся всё более важной область высоких технологий. К ней относятся устройства, работающие в самых разных областях применения, такие, как:
-
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) для измерения физических величин: датчики силы, датчики смещения, датчики давления, микроакселерометры на основе кремния, микромеханические гироскопы, болометры, датчики скорости потока, интенсивности потока, датчики определения типов газов и параметров их потоков, включая взрывоопасные газы, датчики магнитного поля, оптические датчики.
-
Микрофлюидальные и аналитические системы: кремниевые насосы, микродозаторы, микродиспенсеры, интегральные клапаны, диффузоры, детекторы перемещения и распределения жидкости, микрореакторы, аналитические системы, "лаборатории на чипе" и т.д.
3. Актюаторы и микромеханизмы: подвижные
микроструктуры, микрооптомеханические системы,
микрохимикомеханические системы, микророботы,
интегральные схемы датчиков и микроисполнительных
устройств, микромеханические источники энергии и т.д.
В производстве МСТ (и, конкретнее, МЭМС) применяется сочетание различных технологий обработки полупроводниковых материалов, металлов, полимеров и т.д., в том числе сложных методов получения объемных деталей (ЛИГА-технология, Smart-Cut-технология, методы получения многослойных поликремниевых слоев и т.д.).
1И0ТЄКА А
(ОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА А С Петер/ л * 09
Большое значение в развитии МСТ имеют процессы самоорганизации и самоформирования, дающие, в частности, возможность получения структур с размерами элементов вплоть до нанометрового диапазона. При этом возможно использование существующих технологических методов и оборудования.
Самым известным в планарных технологиях
продуктом процессов самоорганизации является
нанопористый кремний (рог-Si), который начинает
применяться в МСТ благодаря удачному сочетанию в нем
различных характеристик: оптических (возможность
создания квантовых кристаллов) физико-химических,
(формирование мембран), технологических (селективность
травления, избирательность по скорости
высокотемпературного окисления). В ряде случаев этот материал демонстрирует хорошую совместимость с биологическими объектами.
Кремниевые наноструктуры (por-Si) начинают использовать в МСТ при создании микрополостей, волноводов, рефлекторов Брегта, интерференционных фильтров, микроанализаторов состава газов и жидкостей, а также электродинамических типов микронасосов (как материал проницаемых мембран), и т.д.
Применение por-Si как технологического материала МСТ требует исследования физико-механических (прочность, упругость, твёрдость, пластичность, коэффициент термического расширения), фрикционных, адгезионных свойств.
Необходимо также привлечение адекватных методов исследования и измерения параметров.
Физико-механические свойства нанопористых структур имеют большое значение и при их создании, так как в процессе формирования por-Si возникают значительные механические напряжения.
Другим важным аспектом учёта физико-механических свойств является их проявление в процессах эксплуатации приборов и устройств МСТ. Здесь имеются в виду:
возникающие силы страгивания (гироскопы, микродвигатели);
величины термомеханических нагрузок;
предельные значения ударных нагрузок;
усталостные характеристики.
Эти свойства важны также для определения технологических ограничений, связывающих форму и размеры деталей из этих структур с метрологическими допусками на изготовление, сборку и монтаж узлов МСТ с их применением.
Физико-механические свойства являются
определяющими при прогнозировании отказов, связанных с деградацией не только во время эксплуатации изделий МСТ, но и при их хранении (поля упругих напряжений в элементах МСТ могут приводить к изменению формы, размеров и даже к их разрушению).
Решение поставленных выше проблем
непосредственно связано с детализацией модели процессов самоорганизации при создании por-Si, обосновывающей формирование наноструктуры и предсказывающей её морфологические характеристики исходя из известных процессов формирования и перестройки структурных дефектов. Эти процессы непосредственно связаны с реальными характеристиками кристалла, включающими
наличие примесей (легирующих и неконтролируемых), кристаллографическую ориентацию подложки, состояние поверхности.
Целью данной работы было получение систематических данных о прочностных свойствах наноструктурированного кремния, пригодного для использования в изделиях микросистемной техники.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи;
1. На основе процессов электрохимического формирования пористого кремния разработать и апробировать методы получения наноструктурированного пористого кремния, отделённого от подложки, на которой он был создан, с сохранением целостности его структуры и основных свойств.
-
Для отделённых от подложки нанопористых структур получить экспериментальные данные о собственных прочностных свойствах por-Si во взаимосвязи с его структурными характеристиками.
-
Определить возможности применения процессов самоорганизации, имеющих место при создании por-Si, для формирования топологии кремниевых структур.
-
Провести теоретический анализ процесса формирования пористых наноструктур на поверхности монокристаллического Si на базе процессов образования и взаимодействия точечных дефектов кристаллической структуры.
Научная новизна диссертации.
-
Впервые получены количественные данные о собственных физико-механических свойствах кремниевых наноструктур.
-
Были разработаны оригинальные методы создания и отделения от подложки структур нанопористого кремния.
3) Обнаружено явление образования заглублённой на
десятки микрон плоской области на поверхности подложки
(эффект глубокого рельефа»), во время электрохимического
процесса формирования нанопористого кремния. Явление
определяется параметрами процесса, который носит
периодический характер: вначале формируется
нанопористыи кремний, затем при продолжении процесса
он стравливается. Процесс может повторяться. Определены
условия получения поверхности с заданными свойствами в
области формирования por-Si (контур поверхности, угол
наклона к плоскости подложки, сохранение плоскостности).
4) Показано, что характер порообразования
(распределение нанопор по фронту травления) связан с
присутствием полей упругих напряжений в подложке.
5) Разработан теоретический подход к расшифровке
процесса формирования нанопористого кремния на базе
рассмотрения процессов образования подвижных дефектов,
их взаимодействия между собой, с границами раздела и
примесными атомами. Разработанная модель учитывает
возможность направленного перемещения подвижных
точечных дефектов в полях упругих напряжений, что
открывает возможности управления формой,
пространственным распределением, плотностью por-Si.
Было разработано экспериментальное оборудование (приспособления и установка), для получения отделённых от подложки образцов нанопористого кремния и исследования их физико-механических свойств (прочность, многоцикловая выносливость).
Практическая значимость диссертации
заключается в:
-
Получении информации о прочностных характеристиках структур на основе нанопористого кремния, необходимой для разработки конструкций и технологий создания приборов и устройств МСТ с применением por-Si.
-
Определении режимов получения рог-Si и разработке методики отделения поросо держащего слоя.
-
Обнаружении и исследовании эффекта образования заглублённого рельефа при формировании por-Si, что важно при решении задач создания микрорельефов с высоким аспектным соотношением. Такое требование является одним из наиболее важных при решении задач, связанных с пространственным совмещением на несущей подложке узлов МСТ, содержащих элементы кинематики (изделия, предназначенные для передачи вращательного или поступательного движения — ползуны, направляющие, маховики, шестерёнчатые пары, оси).
-
Указании наиболее перспективных возможностей применения в приборах и устройствах МСТ отделённых от подложки слоев нанопористого кремния (интерференционные фильтры с управляемым спектром пропускания, мембранные устройства с управляемыми пропускными параметрами).
На защиту выносятся:
1. Получение экспериментальных данных о прочностных характеристиках рог-Si в зависимости от толщины структуры, типа проводимости и удельного сопротивления исходных подложек Si, полученные для образцов рог-Si с порами дендритного типа, созданных на стандартных подложках КДБ и КЭФ со средними величинами удельного сопротивления:
2. Методы получения por-Si, отделённого от подложки, и экспериментальных исследований взаимосвязи между поверхностными характеристиками образуемых структур por-Si и параметрами Si-подложек и процессов порообразования.
-
Взаимосвязь между механическими напряжениями в подложке монокристаллического кремния при получении por-Si и параметрами полученной наноструктуры (степенью её совершенства).
-
«Эффект глубокого рельефа», выявленный экспериментально при изучении зависимости процессов создания por-Si от проводимости исходных Si-подложек.
-
Модель формирования пористой структуры, основанная на учёте взаимодействия подвижных точечных вакансионных дефектов между собой, с примесными атомами и границами раздела. Модель позволяет учесть особенности формировании поросодержащего слоя в зависимости от наличия полей упругих напряжений и служит основой для разработки путей управления параметрами структуры.
Апробация диссертации.
1. Результаты диссертационной работы
отражены в публикациях [1-6]. Они обсуждались на восьмой Всероссийской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика" (Москва, МИЭТ, 2001 год), и пятой Всероссийской научно-технической конференции « Электроника и информатика-2005" (Москва, МИЭТ, 2005), а также на научно-технических семинарах в МИЭТ(ТУ), МИСиС(ТУ), Институте рентгеновской оптики (г. Москва).
Структура и объём диссертационной работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы из 66 наименований. Объём диссертации составляет 129 страниц, в ней содержится 38 рисунков.
