Физико-механические свойства кремниевых наноструктур как технологического материала микросистемной техники тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат технических наук Залкинд, Яков Григорьевич

• Залкинд, Яков Григорьевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Залкинд, Яков Григорьевич

Введение.

Глава 1 Аналитический обзор и постановка задачи.

1.1 Состояние микросистемной техники (МСТ) в настоящее время.

1.2 Некоторые основные свойства наноструктурированного пористого кремния (рог-БО.

1.3 Перспективы применения рог^ в изделиях МСТ в настоящее время.

1.4. Актуальность задачи типизации структур рог^ по их сравнительным технологическим (и, в особенности, физико-механическим) характеристикам.

1.5. Постановка задачи.

Глава 2. Теоретическая модель формирования рог-81 на основе образования и взаимодействия точечных дефектов.

2.1. Вероятностный подход к процессу растворения Б!.

2.2. Эмпирический подбор функции вероятности образования 31Р2.

2.3. Параметры взаимодействий в приповерхностном слое

2.4. Модель.

2.5. Диффузионный аспект модели.

2.6. Переход к безразмерным переменным.

2.7. Анализ количества стационарных состояний системы.

2.8.Анализ устойчивости стационарных состояний системы.

2.9. Трактовка механизма образования нанопор в рог-81 в данной модели.

2.10 Выражения для экспериментально наблюдаемых параметров.

2.11 О формировании дендритной структуры нанопор.

2.12. Об изменении характера электрохимического травления в зависимости от изменения удельного тока травления.

2.13 Об определении 8 (вероятности перехода на место поверхностной ступеньки нижележащего атома Si).

2.14. Выводы.

Глава 3. Способы получения образцов наноструктурированного пористого кремния, отделённых от подложки.

3.1 Особенности решения постановленной задачи.

3.2 Установка для проведения электрохимического травления.

3.3 Различные режимы формирования рог^.

3.4 Метод получения отделённого от подложки р-81 в потенциостатическом режиме с отделением «подтравливанием снизу».

3.4.1 Порообразование с переменным составом травителя.

3.4.2 Отделение от подложки.

3.5 Метод получения отделённого от подложки рог-Б1 травлением «через сдвоенную подложку».

3.5.1 Способы предварительного стравливания подложки на значительную толщину.

3.5.2 Создание рог^ «через сдвоенную подложку».

Глава 4. Методы изучения характеристик образцов наноструктур на основе 81.

4.1 Определение пористости получаемых образцов рог-81.

4.2 Исследование характеристик структуры поверхности образцов рог-81.

4.3 Изучение зависимости процесса травления подложки 81 от прилагаемых к подложке механических нагрузок.

4.4 Изучение зависимости процесса травления подложки 81 от проводимости подложки, подвергаемой порообразованию.

4.5 Определение прочностных свойств образцов рог-81.

4.5.1 Предел прочности на разрыв (ав).

4.5.2 Многоцикловая выносливость на растяжение ((Т-О.

Глава 5. Результаты проведения экспериментов.

5.1 Взаимосвязь между скоростью и равномерностью процесса порообразования и прилагаемыми к подложке механическими нагрузками.

5.2 Процессы порообразования при высоких плотностях токов травления в зависимости от проводимости обрабатываемых подложек.

5.3 Определение прочностных характеристик наноструктур.

5.3.1 Свойства рог-Эь созданного с отделением от подложки «подтравливанием снизу».

5.3.2 Свойства рог-81, созданного травлением через «сдвоенную подложку».

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физико-механические свойства кремниевых наноструктур как технологического материала микросистемной техники»

Диссертационная работа представляет собой исследование свойств наноструктурированного пористого кремния (рог-81) как материала, специфические свойства которого вызывают в настоящее время всё больший интерес в плане применения их в устройствах микросистемной техники (МСТ), предназначенных для использования в самых разных (весьма важных) областях. Создание технологий изготовления деталей и узлов микросистемных изделий, содержащих этот материал, требует как получения соответствующих сравнительных характеристик его взаимодействия с другими веществами, структурами и средами, так и создания методов их измерения, которые были бы воспроизводимы в производственных условиях и приводились бы к стандартным условиям и используемым материалам и компонентам.

Весьма важными из упомянутых характеристик рог-Би определяющими эксплуатационные возможности приборов с их использованием и необходимыми для решения проблем деградации, являются характеристики прочностные, в связи с: важностью учёта механических напряжений, возникающих при создании рог^ в подложке (они являются факторами, влияющими на параметры процессов образования (электрохимического травления) и характеристики получаемого рог-81); определением эксплуатационных характеристик приборов МСТ с применением рог-Бь при работе которых в структурах рог-81 возникнут механические нагрузки необходимостью учёта деградации структур рог-81, сопровождающейся потерей их качества; важностью определения технологических ограничений, связывающих форму и размеры деталей из этих структур с метрологическими допусками на изготовление, сборку и монтаж узлов МСТ с их применением.

До настоящего времени в исследованиях, посвященных изучению кремниевых наноструктур, данные такого рода не получались. Нанопористый кремний всегда изучался как тонкий слой на подложке монокристаллического Бц и в тех работах, которые выходили за пределы изучения его оптических свойств, он не рассматривался как носитель механических нагрузок.

Целью данной диссертационной работы было получение систематических данных о прочностных свойствах наноструктурированного кремния, который по своим параметрам и методам получения можно назвать типичным, и который был бы пригоден для оценок «снизу» характеристик структур рог-81, применяемых в различных разработках изделий микросистемной техники.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

На основе процессов, применяемых для создания кремниевых наноструктур, и совместимых с ними процедур обработки материалов, применяемых в планарных технологиях, разработать и опробовать методы получения рог-Б^ отделённого от подложки, на которой он был бы создан, с сохранением целостности его структуры и основных свойств.

Исследуя такие образцы, получить экспериментальные данные о собственных прочностных свойствах рог^ во взаимосвязи с его структурными характеристиками.

В ходе исследования изучить, по мере выявления, новые возможности применения процессов самоорганизации, имеющих место при создании рог-Бь для формирования топологии кремниевых структур.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Заключение диссертации по теме «Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники», Залкинд, Яков Григорьевич

Основные результаты и выводы.

В диссертации была рассмотрена квазихимическая модель создания por-Si на подложке монокристаллического Si, описывающая процессы самоорганизации нанопористой структуры исходя из образования и взаимодействия точечных (вакансионных) дефектов в кристаллической структуре Si, имеющих место при проведении электрохимических процессов формирования por-Si.

В размерности всех параметров системы, применённой в модели, входят только измерения длины и времени — (LxTy).

Характерный размер нанопор и степень пористости формируемой наноструктуры в данной модели зависят от параметров, и определяемых: коэффициентами диффузии вакансионных точечных дефектов в направлении [111] и в плоскости (111) подложки; темпами генерации вакансионных дефектов в структуру подложки; темпами автогенерации дырок и генерации междоузельных атомов водорода; интенсивностью конденсации вакансий на растворённых в кристаллической решётке атомах кислорода (р4); интенсивностью конденсации вакансионных комплексов HjV на растворённых атомах кислорода (Р4); интенсивностью вступления водорода в химические связи с атомами Si на дефектах кристаллической струактуры кремния ((37).

В параметрах системы, которая описывает в данной модели процесс самоорганизации, неявно присутствуют (определяя значения величин, входящих в выражения этих параметров) как характеристики конкретного вида исходного монокристаллического кремния (тип проводимости и степень легирования подложки, состав реакционной среды и его изменения и т.д.), так и механические напряжения в кристаллической решётке Si, влияющие на состояние её нарушений.

В пределах возможности применения рассматриваемой модели к реальным процессам создания por-Si параметрами модели, которые зависят от характеристик конкретного вида применяемых подложек Si и конкретных условий образования наноструктур, и для которых существует функциональная зависимость от характерного размера нанопор и степени пористости создаваемого рог-Бц являются:

1) темп генерации вакансий в структуру подложки gv; и

2) коэффициенты диффузии вакансий ТЭ2 Т в структуре в направлении [111] и в плоскости (111).

Остальные рассматриваемые параметры системы могут быть определены исходя из собственных свойств кристаллической структуры кремния и приниматься как постоянные.

Были получены собственные физико-механические характеристики для наноструктурированного рог-81 с классической древовидной морфологией пор, стохастически распределённых по поверхности фронта порообразования:

1. предел прочности на растяжение (?в/раст в зависимости от: толщины образца, отделённого от подложки; —типа проводимости подложки; —методов и режимов получения образца:

2. параметр многоцикловой выносливости тст](о,5) (определённый как количество циклов приложения-снятия нагрузки, которому соответствует снижение вдвое прочностного параметра, здесь: С7в/раст)> в зависимости от: —методов получения образца; —типа проводимости подложки.

Наноструктуры были получены на стандартных подложках КДБ-1, КДБ-12 и КЭФ-4,5.

Для получения этих экспериментальных результатов были разработаны и опробованы принципиально новые методы получения наноструктурированного пористого кремния, отделённого от подложки, на которой он создаётся, с сохранением целостности его структуры и основных свойств, условно названные здесь: а) метод получения в потенциостатическом режиме с отделением «подтравливанием снизу» ; и б) метод получения травлением через «сдвоенную подложку».

Для рог-81, полученного по методу а), были определены значения (на подложках КДБ-1): для толщины порядка 60 мкм при пористости 35-40% — (Тв/раст в пределах 2,8-3,2 МПа; для толщины в пределах 110 мкм при пористости 40-45% — (Тв/раст в пределах 0,6 — 1.1 МПа; ст-1(0,5) была определена для рог-Бь с толщиной в пределах 110 мкм и пористости 40-45%, и составила 50-100 циклов, что даёт основание рассматривать рог-Б! этого типа (для данного интервала толщин) в плане прочностных свойств как образования нанокристаллитов.

Для рог-Бь полученного по методу б) на подложках КЭФ-4,5 с пористостью в пределах 35-40% для толщины порядка 105-100 мкм С7в/раст определён в пределах 4,5-6,3 МПа; Тстцо,5) для этих образцов была определена в « 90000-95000 циклов; на подложках КДБ-12 с пористостью в пределах 35-40% была определена возрастающая зависимость Св/раст от толщины образцов И (см. рисунок 29): от СТв/раст^б^-Ю^ МПа для толщины порядка 55-62 мкм до от ^в/раст"^ 13,2-15,3 МПа для толщины порядка 145-155 мкм. а-1(0,5) Для образцов на КДБ-12 с пористостью 40-45% была определена для толщины 105-110 мкм и составила « 13000-15000 циклов.

Полученные характеристики могут быть использованы в обобщении для рог-как оценочные «снизу», с учётом того, что для с более низким сопротивлением (порядка ^0,001-0,01 Ом*мм, который обычно стараются использовать для применения в МСТ), при более равномерном токоподводе к поверхности раздела 81/электролит и меньшем градиенте потенциала по поверхности реакции кремния, морфология пор будет более совершенной, и механические характеристики рог-Бь соответственно — лучшими.

В ходе работы была выявлена, хотя и не определена количественно, взаимосвязь между механическими напряжениями в подложке монокристаллического кремния при получении рог-81 и параметрами полученной наноструктуры (степенью её совершенства).

-123В процессе исследования были также выявлены новые возможности применения процессов, связанных с порообразованием в 81, для методов формирования глубоких рельефов в топологии кремниевых структур, и изготовления кремниевых элементов и узлов необычной формы которые могут иметь значение, в частности, для применения в МЭМС.

Полученные в работе данные могут быть значимы для решения задач, стоящих на пути применения рог-81 в МСТ и МЭМС в целях, упомянутых в главе 1 (интерференционные фильтры, микрополости, волноводы, различные сенсорные системы и так далее), таких, как: определение возможностей взаимодействия изделия, содержащего структуры рог-8ь с окружающей средой в плане допустимых эксплуатационных нагрузок; определение зависимости деградации структуры рог-81 от вышеупомянутого воздействия; и иные проблемы, связанные с поставленной в диссертации проблеме типизации нанопористого кремния как технологического материала по характеристикам его взаимодействия с другими материалами и структурами (в особенности — применяемыми в МСТ и МЭМС).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Залкинд, Яков Григорьевич, 2006 год

1. 1.J. Beale, N.G. Chew, M.J. Uren, A.G. CulHs, and J.D. Benjamin, //Appl.Phys.Lett., Vol. 46 (1), 1985, p.86-88.

2. Y.Arita, //Journal of Crystal Growth, vol. 45, 1978, p.3043-3046.

3. L.T. Canham, // Appl.Phys.Lett., Vol.57, №10, 1990, p.l046-1048.F.Gaspard, A.Bsiesy, M.Ligeon, F.Muller, and R.Herino, // J.Electrochem.Soc, Vol. 136 (10),1989, p.3043-3046.

4. R. Herino, G.Bomchil, K.Barla, and C.Bertrand, // J.Elektrochem.Soc, Vol.134 (8), 1987,p.l994-2000.

5. Y.Watanabe, Y.Arita, T.Yokoyama, and Y.Igarashi, // J.Electrochem.Soc, Vol.122 (10), 1975, p.1351-1355.

6. Y. Arita, Y. Sunohara, // J.Electrochem.Soc, Vol. 124 (2), 1977, p. 285-295.

7. Science Lights Up 1991 MRS Spring Meeting, MRS Bulletin, July 1991, p.54-55.

8. A. Yoshinobu, S. Yoshio, // J. Electrochem. Soc, Vol. 124 (2), 1977, p. 285-297.

9. D. Hunkel, R. Butz, R. Ares-Fisher, M. Marso., H. Luth, // J. Luminesc. Vol. .80, 1999,p.l33-136.

10. Chen Li-Deng, Zhen Gao, Xiang Yang et al., // Appl. Phys. Lett., Vol. 61 (1992), p. 1965

11. R. Hummel and Sung-Sik Chang, // Appl. Phys. Lett., Vol. 61, (1993), p. 2246.

12. S. F. Chuang, S.D. Colins and R.L. Smith, // Appl.Phys.Lett., Vol.55, 1989, p. 1540-1545.

13. H. Morisaki,//Nanotechnology, No.3, 1992, p. 196-201. 16Weng Y., Fan Zh., Song X, // Appl.Phys.Lett., Vol.63 (1993), p.l68.17T. Maruyama, S. Ohtani, // Appl.Phys.Lett., Vol.65, No.l 1, 1994, p.1346-1348.

14. Y. Arita, // J.Cryst.Growth, Vol. 45, 1978, p.383-392.

15. V. Parkhutik, //Solid-State Electronics. Vol. 43. 1999, p.l 121-1141.

16. H.Haken, Synergetics. // Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1978. -127-

17. Н.Накеп, Advanced Synergetics. Instability Hierarchies of Self-Organizing Systems and Devicts.// Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Tokyo,1983.

18. D.R. Turner, // J.Electrochem. Soc, Vol.105, (7), 1958, p.402-408.

19. C O . Изидинов, А.П. Блохина, Л.A Исмайлова, // Электрохимия, т.23 (11) 1987,,с.1545-1553.

20. G.Oskam, А. Natarajan, Р.С. Searson, F.M. Ross, // Appl. Surf. Sci., Vol.119, 1997,p.l60-168.

21. C.A. Гаврилов, // Тез. докл. межвуз. научно-технической конф. "Микроэлектроника и информатика". Москва 1995, с. 109-ПО.

22. А. Гаврилов, В.А. Караванский, И.Н. Сорокин, О.И. Чегнова, // Тез. докл. Второй международной научно-технической конференции"Микроэлектроника и информатика". Москва, Зеленоград, 1995, с. 122-123

23. М. Thonissen et al., // Solid State Phenomena, vol. 54, 1997, p. 65-72.

24. A. G. Cullis, L. T. Canham, and P. D. J. Calcott, // J. Appl. Phys., vol. 82, 1997, p. 909-965.

25. K. Kaminska, T. Brown, G. Beydaghyan, and K. Robbie, // Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 4833, 2003, p. 633-639.-128-

26. J. Sailor, Properties of Porous Silicon, ed. L. T. Canham IEE Inspec. (London U. K., 1997),p.364.

27. F. Cunin, T. A. Schmedake, J. R. Link, Y. Li, J. Koh, S. Bhatia, M. Sailor, // Nature Materials, Vol. 1, 2002, p.39-41

28. L. Pavesi, // Riv. Nuovo Cim., vol. 20 (10), 1997, p. 1-76.

29. V. Agarwal and J. A. del Rio, // Appl. Phys. Lett, vol. 82, 2003, p. 1512-1514.

30. M. Ghulinyan, С J. Oton, G. Bonetti, Z. Gaburro and L. Pavesi, // J. Appl. Phys., vol. 93 (12), 2003, p. 9724-9729.

31. P. Ferrand, R. Romestain, and J. С Vial, // Phys. Rev. B, vol. 63 115106, 2001, p. 1-4.

32. L. Dal Negro, С J. Oton, Z. Gaburro, L. Pavesi, P. Johnson, A. Lagendijk, R. Righini, M. Colocci, and D. S. Wiersma, // Phys. Rev. Lett., vol. 90 (5), 055501,2003, p. 1-4.

33. R. Sapienza, P. Costantino, D. Wiersma, M. Ghulinyan, С J. Oton, and L. Pavesi, // Phys. Rev. Lett., vol. 91 (6), 263902, 2003, p. 1-4.

34. P. Allcock and P. A. Snow, // J. Appl. Phys., vol. 90 (10), 2001, p. 5052-5057

35. W. J. Gunning, R. L. Hall, F. J. Woodberry, W. H. Southwell, and N. S. Gluek, // Appl. Opt., vol. 28 (14), 1989, p.2945-2948.

36. K. Kaminska, T. Brown, G. Beydaghyan, and K. Robbie, // Appl. opt.. Vol. 42 (20), 2003, p. 4212-4219.

37. L. Wei-Li, D. Xin-Zhong, W. Lian-Wei, Z. Miao, S. Qin-Wo, L. Cheng-Lu and P. K. Chu, // Chinese Phys. Lett., № 18, 2001, p. 662-664.

38. J. L. Gole, P. J. Hesketh, L. Seals, and L. A. Tse, // Journal of Applied Physics, Vol. 91 (2) (2002), p.5771-5772.

39. A. Splinter, J. Sttirrnann, O. Bartels and W. Benecke, // Sensor and Actuators, Vol. 83,2002, p. 169-174.

40. S. Junge, L. Dori, 1. Elmi, S. Nicoletti, S.ZampoIIi, A.R. Mastrogiacomo, // 199 th Meeting of The Electrochmical Society, Washington, DC, march 2001, p. 1088.

41. Г.Р. Энгельгардт, А.Д. Давыдов, Т.Б. Жукова, Х.-Х. Штреблов, Новый метод описания массопереноса при электрохимической реакции на днецилиндрического канала // Электрохимия. Т.28, №2, 1992, с.251-264.

42. Залкинд Я.Г., Герасимеико Н.Н., О возможности создания МЭМС-структур с применением Sшart-Cut-тexнoлoгии. // ОБОРОННЫЙ КОМПЛЕКС— НТПРоссии, № 3 (2002), стр. 48-55.