СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТУННЕЛЬНОГО СЕНСОРА МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
METHOD FOR MANUFACTURING OF TUNNEL SENSOR OF MECHANICAL OSCILLATIONS

Изобретение относится к области технологии изготовления микроэлектронных и микромеханических устройств и может быть использовано при изготовлении сенсоров, функционирующих на основе туннельного эффекта и обеспечивающих преобразование «перемещение - электрический сигнал».
Известен способ изготовления туннельного наносенсора, включающий отдельное изготовление методами объемной микроообработки подложки с туннельным электродом и подложки с кантилеверным электродом с системами металлизации с последующей прецизионной сборкой подложек с целью формирования туннельного зазора (Tunneling Accelerometers. Submitted by Samantha С.Cruz, Kevin P. Lee and Deepak Ponnavolu. Presented to Professor Horacio D. Espinosa. Northwestern University. December 4, 2004).
К недостаткам известного способа изготовления относится низкая технологичность и воспроизводимость процесса изготовления, поскольку точность обеспечения туннельного зазора методами сборки недостаточна в связи с трудностями воспроизводимого обеспечения удовлетворительной (до 5 ангстрем) плоскопараллельности пластин.
Известен также способ изготовления туннельного наносенсора, включающий отдельное изготовление методами объемной микроообработки подложки с элементами кантилевера с инерционной массой и совмещенного с ней туннельного электрода и подложки с системами металлизации неподвижного электрода с последующей прецизионной сборкой подложек с целью формирования туннельного зазора (Randall L. Kubena, et al. Single crystal, dual wafer, tunneling sensor or switch with silicon on insulator substrate and a method of making same. US Patent 6982185 B2, 2006).
К недостаткам известного способа изготовления относится также низкая технологичность и воспроизводимость процесса изготовления, поскольку точность обеспечения туннельного зазора методами сборки недостаточна в связи с трудностями воспроизводимого обеспечения удовлетворительной (до 5 ангстрем) плоскопараллельности пластин.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту техническим решением является способ изготовления туннельного наносенсора, основанный на технологии поверхностной микрообработки (Single-Wafer tunneling sensor and low-cost IС manufacturing method. Randall L. Kubena, Gary M. Atkinson. US Patent 5596194, 1997). Согласно известному техническому решению способ изготовления туннельного наносенсора включает формирование острийной наноструктуры с системой металлизации - туннельного электрода, «жертвенного» технологического слоя и металлизированной кантилеверной структуры - кантилеверного электрода. Образование туннельного зазора между кантилеверным и туннельным электродами происходит на завершающей стадии технологического процесса путем удаления «жертвенного» слоя из-под кантилеверного электрода. Известный способ изготовления туннельного наносенсора механических колебаний по решаемой задаче и общности признаков наиболее близок к изобретению и выбран в качестве прототипа.
К недостаткам известного технического решения относится низкая воспроизводимость и технологичность из-за сложности формирования туннельного зазора, образующегося между кантилеверным и туннельным электродами путем удаления «жертвенного» слоя, поскольку формирование на острие туннельного электрода «жертвенного» слоя затруднительно.
Техническим результатом изобретения является создание способа изготовления туннельного наносенсора механических колебаний, позволяющего повысить воспроизводимость процесса изготовления и технологичность изделия.
Отличительными признаками предложенного способа изготовления туннельного наносенсора механических колебаний являются: формирование туннельного электрода, заключающееся в последовательном формировании рельефа в «жертвенном» слое в виде конусообразных отверстий методами анизотропного ионно-плазменного и жидкостного травления, нанесении слоя композиционного материала на основе фоточувствительной композиции в растворителе с частицами моно- или полидисперсных электропроводящих порошков нанотрубок, фуллеренов, нановолокон, наноконусов, формировании литографическими методами рисунка композиционного материала в углублениях рельефа и термообработке, осуществляют после нанесения «жертвенного» слоя, формирование кантилевера с инерционной массой проводят путем гальванического наращивания нанесенного непосредственно на туннельный электрод методами термовакуумного либо ионно-плазменного напыления слоя металла.
Заявитель не обнаружил технических решений, имеющих признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, следовательно, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом:
На чертеже схематично (в виде поперечного сечения) представлена последовательность операций технологии, иллюстрирующая предлагаемый способ изготовления туннельного наносенсора механических колебаний.
На чертеже обозначены: 1 - элементы металлизации, 2 - подложка, 3 - «жертвенный» слой, 4 - отверстие для опоры кантилевера, 5 - конусообразное отверстие для туннельного электрода, 6 - композиционный материал, 7 - кантилевер, 8 - инерционная масса.
Предложенный способ изготовления туннельного наносенсора механических колебаний состоит из следующей последовательности технологических операций: на диэлектрической или полупроводниковой с диэлектрическим слоем (2) подложке методами тонкопленочной планарной технологии формируют систему металлизации (1), представляющую собой выполненные в слое металла нижний электрод системы электростатического управления, контактные площадки, систему электрической разводки (чертеж, а). Затем поверхность полученной структуры покрывают «жертвенным» технологическим слоем (чертеж, б) и методами фотолитографии и анизотропного жидкостного и/или ионно-плазменного травления формируют последовательно отверстие для опоры кантилевера (4) (чертеж, в) и конусообразное отверстие для туннельного электрода (5) (чертеж, г). Далее наносят методом центрифугирования раствор фоточувствительной композиции с частицами наполнителя, который представляет собой композиционный материал, состоящий из полимерной матрицы, армированной частицами наполнителя. В качестве материала полимерной матрицы используют фоточувствительные композиции. В качестве материала наполнителя используют моно- или полидисперсные порошки нанотрубок, фуллеренов, нановолокон, наноцилиндров. После нанесения раствора полимера с частицами наполнителя проводят процесс литографии с последующей термообработкой полученного рисунка. В результате получается частично заполненная композиционным материалом вершина конуса отверстия для туннельного электрода (6) (чертеж, д). Далее методами термовакуумного напыления и/или ионно-плазменного осаждения на поверхность полученной структуры наносят сплошной слой металла и, используя фотолитографию и метод гальванического наращивания, формируют кантилевер (7) (чертеж, е). Затем, аналогично, методом гальванического наращивания создают инерционную массу (8) (чертеж, ж) и селективно по отношению к другим материалам конструкции удаляют «жертвеннный» технологический слой. При этом вместе с удалением «жертвенного» слоя происходит частичное травление полимерной матрицы композиционного материала, частично освобождая поверхность наполнителя.
Таким образом, предложенный способ изготовления туннельного наносенсора механических колебаний позволяет сформировать туннельный электрод после нанесения «жертвенного» слоя формированием рельефа в «жертвенном» слое, нанесением композиционного материала, состоящего из полимерной матрицы, армированной частицами наполнителя, и формированием слоя гальванически выращенного металла, а также проводить освобождение поверхности наночастиц от полимерной матрицы одновременно с травлением «жертвенного» слоя, что позволяет повысить воспроизводимость процесса изготовления (избегая процесса формирования жертвенного слоя на острие туннельного электрода), технологичность изделия и возможность формировать чувствительные элементы туннельного наносенсора непосредственно на полупроводниковой схеме преобразования.
Пример: предложенные технические решения были использованы при реализации способа изготовления туннельного наносенсора механических колебаний. В качестве подложки для туннельного наносенсора механических колебаний использовали кремниевую монокристаллическую подложку, металлизацией служили слои хром-золото, слоями контакта - последовательно нанесенные слои титана, золота и платины. В качестве «жертвенного» слоя использовали полипиромеллитимид, для изготовления композиционного материала туннельного электрода использовали смесь на основе позитивного фоторезиста и углеродных нанотрубок.
Туннельный наносенсор механических колебаний изготавливали следующим образом. На кремниевую монокристаллическую подложку наносили слой высокотемпературного нитрида кремния толщиной 0,2-0,4 мкм для обеспечения надежной диэлектрической изоляции. После этого методами магнетронного распыления, термовакуумного напыления и фотолитографии формировали области металлизации и контактные площадки неподвижного электрода и элементов электростатического управления на основе структуры хром-золото соответственно. После чего из раствора полиамидокислоты методом центрифугирования с последующей двухстадийной термоимидизацией получали «жертвенный» технологический слой и формировали методами анизотропного травления в нем конусообразные отверстия. Затем методом центрифугирования раствора формировали слой композиционного материала на основе позитивного фоторезиста и углеродных нанотрубок. Методом фотолитографии с последующей термообработкой получали рисунок острийных структур на основе композиционного материала. Методами термовакуумного напыления, магнетронного распыления, гальванического наращивания, растворными методами и литографией формировали слои металлизации, контакта кантилеверного электрода и инерционной массы. После этого «жертвенный» полиимидный слой удаляли травлением в изотропной кислородсодержащей плазме, при этом освобождалась поверхность нанотрубок от полимерной матрицы, что обеспечивало функционирование нанотрубок в качестве острийных структур туннельного электрода.
8
Применение предложенного способа позволило воспроизводимо формировать туннельные нанодатчики с уменьшенными геометрическими характеристиками благодаря совмещению чувствительного элемента со схемой преобразования, обладающие чувствительностью до 10 B/g, которые могут быть использованы в информационных системах мониторинга для прогнозирования, диагностики и контроля воздействий ударных волн и акустических колебаний на конструкции, транспортные средства, промышленные здания и сооружения, для создания сверхчувствительных микрофонов и диагностического медицинского оборудования.