Исследование процесса изготовления кантилевера с улучшенными характеристиками для сканирующей зондовой микроскопии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат технических наук Алексейчук, Андрей Владимирович

• Алексейчук, Андрей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Алексейчук, Андрей Владимирович

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1 Виды зондовой микроскопии.

1.2 Пленочные кантилеверы.

1.3 Кремниевый кантилевер.

1.4 Кантилеверы с вискерами.

1.5 Краткие выводы к главе № 1.

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

2.1 Диффузия как основной метод формирования консоли кантилевера.

2.1.1 Условия возникновения диффузии.

2.1.2 Процесс диффузии и определяющие его факторы.

2.1.3 Функция распределения концентрации примеси по глубине.

2.1.4 Диффузия из постоянного внешнего источника (одностадийный процесс).

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

2.1.6 Рабочая камера диффузионной установки.

2.1.7 Способы контроля диффузионного процесса.

2.2 Растровая электронная микроскопия как основной метод контроля качества кантилеверов.

2.2.1 Электронные пушки.

2.2.1.1 Вольфрамовый термокатод.

2.2.1.2 Стержневой катод из гексаборида лантана (LaBg).

2.3.1 Электронные линзы.

2.3.1.1 Общие свойства магнитных линз.

2.3.1.2 Формирование пятна минимального размера.

2.4.1 Аберрация в электронно - оптической мишени.

2.4.2 Устройство объективной линзы.

2.4.3 Глубина фокуса.

2.5 Краткие выводы к главе № 2.

Глава 3. Исследование процессов изготовления кантилевера с улучшенными параметрами.

3.1 Исследование процесса формирования иглы кантилевера с улучшенными характеристиками.

3.2 Разработка технологии изготовления кантилевера с использованием электрохимического травления.

3.3 Краткие выводы к главе № 3.

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

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

4.2 Технологический маршрут изготовления многобалочного управляемого кантилевера.

4.3 Краткие выводы к главе № 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование процесса изготовления кантилевера с улучшенными характеристиками для сканирующей зондовой микроскопии»

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

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

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

Разрешающая способность СЗМ определяется следующими основными параметрами кантилевера:

- радиус кривизны острия иглы;

- высота иглы;

- аспектное соотношение иглы;

- шероховатость на обратной стороне консоли;

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

Научная новизна:

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

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

Практическая значимость:

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

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

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

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

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

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

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на б научно - технических конференциях:

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

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

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

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

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

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

Положения, выносимые на защиту:

1. Процесс формирования иглы кантилевера с улучшенными характеристиками;

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

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

Заключение диссертации по теме «Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники», Алексейчук, Андрей Владимирович

Основные результаты работы сводятся к следующему:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Алексейчук, Андрей Владимирович, 2007 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

42. Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1972.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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