СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ С НАНОСТРУКТУРАМИ ДЛЯ ЛОКАЛЬНЫХ ЗОНДОВЫХ СИСТЕМ
METHOD OF PRODUCING ELEMENTS WITH NANOSTRUCTURES FOR LOCAL PROBE SYSTEMS

Область техники
Изобретение относится к технологии микроэлектроники и может быть использовано для изготовления функциональных элементов наноэлектроники.
Уровень техники
Известно, что при исследовании микро- и наноразмерных объектов необходимо приблизить чувствительный элемент сенсора максимально близко к изучаемому объекту. Это достигается изготовлением сенсорного устройства или объекта, на оконечности используемого зонда, максимально близко к его краю.
Так, в патенте RU 2335033 С1 (опубликовано 27.09.2008, кл. H01L 21/306, В82В 3/00) описан способ изготовления кантилевера, включающий формирование на верхней поверхности монокристаллической кремниевой подложки КДБ с ориентацией (100) иглы кантилевера методом локального анизотропного травления кремния, формирование на верхней стороне подложки p-n перехода, локальное электрохимическое травление подложки с обратной стороны до p-n перехода с образованием кремниевой мембраны, формирование консоли кантилевера из указанной мембраны путем локального анизотропного травления мембраны с двух сторон пластины с использованием маски, защищающей иглу и верхнюю часть консоли. Иглу кантилевера формируют перед формированием p-n перехода, при этом глубина n-слоя составляет удвоенную толщину консоли, а маску для локального анизотропного травления мембраны получают методом "взрывной" литографии с использованием нижнего «жертвенного» слоя и верхнего маскирующего слоя из химически малоактивного металла.
Однако данное решение не предусматривает совмещение с таким кантилевером какого-либо чувствительного наноэлектронного функционального элемента. Стоит отметить, что традиционными методами микро- и наноэлектроники (литография и т.п.) невозможно изготовить наноустройство на кончике такой иглы.
Известно, что плоскости спайности кристаллических подложек позволяют сформировать микроэлектронные элементы с атомарно-гладкими остриями. Так, в патенте RU 2423083 С1 (опубликовано 10.07.2011, кл. А61В 17/32) описан способ изготовления лезвий или игл, в процессе изготовления острия которых осуществляют раскрой кристаллического материала при расположении режущей или колющей кромки в плоскости спайности. Используют кристаллический материал в виде пленки, а раскрой производят путем контролируемого формирования одной или нескольких трещин в пленке. Острие формируют на пересечении плоскостей спайности и поверхности пленки.
В полупроводниковой технологии известно выполнение v-образных канавок вдоль плоскостей спайности на подложках для последующего разделения на кристаллы (US 7358156, опубликовано 15.04.2008, кл. H01L 21/00), однако координаты углов образуемых кристаллов не регламентируются.
Известно выполнение одноэлектронного транзистора на оконечности кантилевера, кончик которого совмещен с острием и сформирован из тонкой мембраны путем реактивно-ионного травления (A Single Electron Transistor on an Atomic Force Microscope Probe / Brenning, Kubatkin, et al., Microtechnology and Nanoscience, Chalmers Nano Lett., Vol. 6, No. 5, 2006, pp. 937-941). Однако острие угла не получается атомарно острым, и в целом способ обладает большей трудоемкостью при изготовлении структур и имеет ограничения на тип изготавливаемой структуры. Метод в основном ориентирован на изготовление планарных структур напылением пленок на поверхности пластины, нет возможности формировать чувствительную структуру из кристаллического кремния.
В патенте US 6521921 В2 (опубликовано 15.04.2008, кл. H01L 27/148 (прототип)) описывается метод создания полевого транзистора, интегрированного в кантилевер. Способ включает формирование наконечника путем травления монокристаллической полупроводниковой подложки вдоль осей (100) таким образом, что плоскость (111) открыта на наклонных сторонах V-образной канавки, на которых образуют области истока и стока полевого транзистора. Угол зонда при использовании описанного в патенте способа получается атомарно-острым, но имеет целый ряд недостатков: во-первых, невозможно создание другой структуры, помимо МОП-транзистора. Во-вторых, размеры канала полученного таким методом транзистора слишком велики (несколько микрометров), что сильно ограничивает чувствительность получаемого устройства.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение направлено на изготовление наноструктур с нанометровой точностью вблизи края, угла пластины, с возможностью разделения по плоскостям спайности.
Данная задача решается за счет способа изготовления элементов с наноструктурами для локальных зондовых систем, включающего нанесение на подложку из монокристаллического кремния с ориентацией {100}, по меньшей мере, одного слоя маскирующего покрытия, в котором формируют рисунок шаблона с выделением, по меньшей мере, трех областей, размещенных по взаимно перпендикулярным осям, совпадающим с двумя перпендикулярными кристаллографическими осями <110> подложки, задающих направление разлома подложки на соответствующее количество элементов и образующих на поверхности маскирующего покрытия каждого элемента вблизи точки пересечения указанных осей площадки для размещения наноструктуры, проведение жидкостного травления подложки через сформированный в маскирующем покрытии рисунок шаблона до проявления фигур травления в теле подложки в форме треугольных канавок, образованных пересечением плоскостей {111} подложки, формирование наноструктур на упомянутых площадках литографическими методами и разделение подложки на указанные элементы по линиям, образованным канавками.
2
Маскирующее покрытие возможно представляет собой SiO при этом толщина которого составляет не менее 50 нм.
3
4
Маскирующее покрытие возможно выполнить из слоя SiN при этом толщина которого составляет не менее 10 нм.
Жидкостное травление подложки до появления фигур травления возможно провести в 30% растворе КОН при комнатной температуре.
Области, задающие направление разлома подложки, возможно выполнить в форме прямоугольника.
Области, задающие направление разлома подложки, возможно выполнить в форме прямоугольника, который переходит в более узкий прямоугольник при приближении к точке пересечения кристаллографических осей <110> подложки.
Наноструктура может представлять собой полевой транзистор с каналом-нанопроводом.
Разделение подложки возможно осуществить механически с приложением изгибающего момента.
В качестве подложки возможно использовать пластину кремний на изоляторе.
Технический результат - возможность совмещения острия зонда с выполняемой на нем наноструктурой на предопределенных расстояниях 0-50 нм от оконечности острия.
Краткое описание чертежей
Существо предлагаемого способа поясняется на чертежах, где на:
фиг. 1 - принцип формирования структуры на подложке;
фиг. 2 - вид структуры после проведения жидкостного травления;
фиг. 3 - элемент зонда после механического разделения;
фиг. 4 - ступенчатый многоугольник шаблона и реальный вид канавки в результате растравливания;
фиг. 5 - микрофотография наноструктуры для локальной зондовой системы, выполненной на краю подложки.
Фиг. 6 - форма выполнения различных фигур на маскирующем покрытии и форма фигур после вытравливания.
Осуществление изобретения
Как известно, анизотропное жидкостное травление монокристаллического кремния широко используется при формировании различных микроэлектронных структур. Скорость травления кремния в щелочи сильно зависит от ориентации кристаллографических плоскостей и различается в сотни раз по направлениям <100> и <111>, т.е. кремний практически травится только вдоль одного из направлений, останавливаясь на другом. Это означает, что при травлении кремниевой пластины ориентации {100} через маску с прямоугольным отверстием образуется треугольная канавка, боковые стенки которой ориентированы в плоскости <111>, они перпендикулярны направлению с наименьшей скоростью травления. Процесс травления остановится практически на одной моноатомной линии вдоль кристаллографической оси, которая определится пересечением этих плоскостей под углом 70,52°.
По линиям кристаллографических осей канавок, изготовленных во взаимно перпендикулярных направлениях, можно с большой точностью определить координаты точки их пересечения. Точка пересечения совпадет с координатами угла чипа после разлома пластины по заданным кристаллографическим осям.
Таким образом, за счет точного литографического совмещения (0-50 нм) наноструктура заранее может быть изготовлена в нужной области чипа, после чего происходит его разлом по кристаллографическим осям и нужные элементы структуры оказываются вблизи края или угла пластины.
2
3
4
Способ изготовления элементов с наноструктурами для локальной зондовой системы (см. фиг. 1-3) включает нанесение на подложку 1 из монокристаллического кремния или структуры кремний-на-изоляторе (КНИ) с ориентацией {100} по меньшей мере одного слоя маскирующего покрытия 10, например, из слоя SiO не менее 50 нм или слоя SiN не менее 10 нм. На фиг. 2 схематично показан один элемент 11 подложки, их число может быть любым, а размер w определяется конструкцией зонда.
В подготовленном на элементе 11 маскирующем покрытии формируют рисунок шаблона 12 с выделением по меньшей мере трех областей 13, размещенных по взаимно перпендикулярным осям 14, совпадающим с двумя перпендикулярными кристаллографическими осями <110> 15, 16 подложки 1 для образования на поверхности маскирующего покрытия вблизи точки 18 пересечения указанных осей 14 площадки 17 для размещения наноструктуры. Области 13 задают направление разлома подложки 1 на соответствующее количество элементов 11.
При этом форма выполнения областей 13 не имеет значения. Вытравливание в сформированных областях 13 маскирующего покрытия приведет к образованию прямоугольной фигуры, соответствующей максимальным размерам области 13 (прямоугольники на Фиг. 6) в маскирующем слое в направлениях <110>, что хорошо известно из уровня техники (Фиг. 6). Таким образом, для получения канавки прямоугольной формы в маскирующем покрытии, области могут быть произвольной формы или даже состоять из нескольких элементов (см. третий прямоугольник - Фиг. 6).
Метод формирования рисунка шаблона 12 в маскирующем покрытии 10 может быть различным, например, возможно проведение литографии по слою резиста, нанесенного поверх маскирующего слоя и перенос этого рисунка посредством реактивно-ионного травления в слой маскирующего покрытия 10. Так же возможно проведение прямой, ионно-лучевой литографии, когда рисунок шаблона формируется непосредственно ионным пучком в слое 10 маскирующего покрытия. Кроме того, формирование рисунка шаблона 12 возможно непосредственно при нанесении маскирующего покрытия 10 через предварительно сформированную маску на элементе 11. Полностью в настоящем описании метод формирования рисунка шаблона 12 в маскирующем слое 10 не приводятся.
Далее проводят жидкостное травление подложки 1, через сформированный в маскирующем покрытии 10 рисунок, до проявления фигур травления в теле подложки в форме треугольных канавок 19, образованных пересечением плоскостей {111} подложки 1.
Относительно точки 18 пересечения осей канавок 19 литографическими методами выполняют наноструктуру 20, чувствительную к параметрам, регистрируемым зондовой системой, например полевой транзистор с каналом-нанопроводом, но возможно и любое другое чувствительное устройство наноэлектроники, например наноразмерный датчик Холла. В настоящем описании конструкция наноструктуры и способ ее формирования не приводятся. Расстояние s между точкой 18 и чувствительным элементом наноструктуры 20 может точно позиционировано и составлять s=0-50 нм, т.е. находиться на заранее предопределенном расстоянии.
После того как сформирована наноструктура 20 проводят механическое разделение подложки 1 на отдельные элементы 40 зонда, например, приложением изгибающего момента. Как следует из приведенного описания в результате разделения возможно получить одновременно четыре отдельных зонда (фиг. 3).
Для удобства совмещения и разделения пластины на части разламыванием (фиг. 4) шаблон 12 может представлять собой, например, прямоугольник 131 шириной ок. 50 мкм, переходящий в прямоугольник 132 меньшей ширины - ок. 6 мкм, направленный в сторону площадки 17 для последующего формирования наноструктуры. Широкий прямоугольник 131 позволяет получить достаточно глубокую канавку 19 для удобства разламывания подложки 1, а узкая 132 - нужна для более точного совмещения. Иными словами, ступенчатый переход позволяет одновременно добиться и легкого разделения, и высокой точности совмещения наноструктуры относительно точки 18 пересечения осей. Следует учитывать и растравливание с изменением реальных размеров: происходит скругление 133 и возможно незначительное увеличение длины 134 канавки (показано пунктиром), что, однако, не влияет на разделение подложки по плоскостям спайности кристалла.
2
3
4
Подложка кремния или пластины кремния на изоляторе (КНИ), покрывается маской для травления в щелочи. Например, достаточно иметь слой SiO толщиной 200 нм или слой SiN - 100 нм; при селективном травлении в щелочном растворе такой толщины маски хватает для травления подложки кремния до смыкания плоскостей {111} вдоль осей <110>.
2
3
4
Далее в слое SiO/SiN формируется рисунок шаблона, например, с помощью реактивно-ионного травления через резистную маску или с помощью сфокусированного ионного пучка.
Если используется трехслойная подложка со структурой «кремний-диэлектрик-кремний» (кремний на изоляторе, КНИ), или любые иные многослойные покрытия, то в таком случае необходимо повторить (перенести) рисунок шаблона, сформированный в маскирующем покрытии, и в этих слоях, тем самым обнажив поверхность несущей кремниевой подложки. Это возможно сделать методами, аналогичными методам формирования рисунка шаблона в маскирующем покрытии. В концентрированном 30% растворе щелочи КОН в течение 48 часов при комнатной температуре производится травление кремниевой подложки, которое практически останавливается после «смыкания» плоскостей {111}. В нашем эксперименте после травления канавки 131 имели размер по ширине 20-70 мкм, по длине 500-1500 мкм, канавки 132 по ширине 2-15 мкм, по длине - 50-500 мкм. Возможно использование и одной канавки шириной 0.5-300 мкм.
Маска удаляется с помощью реактивно-ионного травления и жидкостного травления в плавиковой кислоте или используется в дальнейшем в качестве слоя диэлектрика.
Разделение пластины на отдельные элементы проводилось разламыванием за счет приложения усилия к краям пластины.
Изготавливали полевой транзистор с каналом-нанопроводом, но возможно и любое другое устройство. Устройства, изготовленные этим методом, могут быть использованы в качестве локальных сенсоров для зондовых устройств.
Пример реализации
Наноструктура для локальной зондовой системы, представляющая собой V-образный нанопровод толщиной 100 нм, изготовленный в верхнем слоек кремния пластины кремния на изоляторе была изготовлена по предлагаемому способу следующим образом.
2
3
4
2
2
3
4
3
4
2
Пластина кремния на изоляторе методом химического осаждения из газовой фазы покрывалась 200 нм слоем SiO и 100 нм слоем SiN. Полученная заготовка покрывалась 1 мкм слоем полиметилметакрилата (ПММА) методом центрифугирования. С помощью электронной литографии в слое ПММА формировался рисунок виде четырех областей (прямоугольников) шириной 50 мкм и длиной 1 мм, которые переходят в более узкий прямоугольник при приближении к зоне для формирования наноструктуры (точки пересечения кристаллографических осей <110> подложки) длиной 200 мкм и шириной 8 мкм, размещенных по взаимно перпендикулярным осям, совпадающим с двумя перпендикулярными кристаллографическими осями <110> подложки, для образования на поверхности маскирующего покрытия вблизи точки пересечения указанных осей площадки для размещения наноструктуры. Рисунок маски переносился в слои SiO/Si/SiO/SiN методом реактивно-ионного травления. Затем проводилось жидкостное травление подложки в 30% растворе КОН при комнатной температуре в течение 36 часов через сформированный в маскирующем покрытии рисунок шаблона до проявления фигур травления в форме треугольных канавок, образованных пересечением плоскостей {111} подложки. После этого слой SiN удаляли путем реактивно-ионного травления, а верхний слой SiO удаляли методом жидкостного травления в плавиковой кислоте. Далее в верхнем слое кремния пластины КНИ вокруг условной точки пересечения осей канавок методом электронной литографии с совмещением по осям канавок и реактивно-ионного травления формировалась структура в виде четырех V-образных нанопроводов, острия которых располагались на расстоянии 50 нм от точки пересечения осей канавок. Затем производилось механическое разделения пластины на 4 части путем приложения изгибающего момента к краям пластины: сначала она разделялась на две части вдоль одного направления, затем каждая из полученных половинок разделялась еще на две части вдоль перпендикулярных первому направлений.
2
На фиг. 5 показана микрофотография наноструктуры для локальной зондовой системы, выполненной по предлагаемому способу на краю подложки 50 из материала КНИ: пластина 51 из кремния, изолирующий слой 52 из SiO, слой 53 кремния, грани 54 {110} кремниевой подложки, образовавшиеся после разделения подложки. Острый угол 55 образован разделением пластины по плоскостям {110} подложки. Наноструктура 60 представляет собой полевой транзистор с каналом-нанопроводом 61 и затвором 62, изготовленным на верхнем слое 53 кристаллического кремния пластины. В выполненном примере реализации расстояние от острийной части угла 55 до канала-нанопровода 61 составляет около 50 нм за счет высокой точности совмещения наноструктуры относительно точки 18 пересечения осей, что подтверждает достижение технического результата - возможности совмещения острия зонда с выполняемой на нем наноструктурой на предопределенных расстояниях 0-50 нм от оконечности острия.