Исследование физических принципов и технологических возможностей применения нелитографических групповых методов для создания трехмерных чувствительных наноэлементов наноэлектромеханических систем

В результате выполнения работы проведен анализ и разработаны физические принципы создания перспективного для последующего масштабирования трехмерного тензорезистивного преобразователя ускорения на основе инерциального наноэлемента и чувствительного виброрезонансного наноэлемента, реализуемых с использованием нанотехнологий и нелитографических методов. Также разработаны конструктивно-технологические ограничения на проектирование топологии различных конструктивных вариантов электромеханических трехмерных тензорезистивных акселерометров на основе инерциальных наноструктур, содержащей 12 топологических подслоев и виброрезонансных наноструктур, содержащей 2 топологических подслоя. Выполнено исследование и проведена отработка основных технологических процессов нелитографических методов создания элементов наноструктур, основанных на изотропном плазмохимическом травлении нанослоев, позволяющем формировать элементы с размерами менее 100 нм при исходных размерах элементов по фоторезистивной маске 1,3 мкм за счет управляемого, селективного подтрава функционального слоя под исходную маску, и технологическом процессе устранения эффекта "прилипания" подвижных механических наноструктур балочного и консольного типа. Разработаны физико-математические модели инерциальных и виброрезонансных наноэлементов, выполнен расчет и проведена оценка характеристик электромеханических инерциальных и виброрезонансных наноэлементов на основе приборно-технологического моделирования, включая прочностной и динамический анализ исследуемых структур. Также установлены закономерности влияния на чувствительность и частотный рабочий диапазон геометрических размеров упругой балки и инерционной массы инерциальных наноэлементов и определены закономерности влияния длины и массы контактной площадки на собственную частоту виброрезонансного наноэлемента.

В результате выполнения второго этапа работы разработаны нелитографические групповые методы (НЛГМ), обеспечивающие локальное замещение нанослоев, самосовмещенную модификацию границ трехмерных чувствительных наноэлементов и областей наноструктур, которые позволяют реализовать групповой процесс обработки нано и микроструктур с размерами 100 нм и менее. Показано, что НЛГМ позволяют обеспечить погрешность воспроизведения номинальных размеров функциональных областей наноэлементов менее 10 % по площади полупроводниковой пластины диаметром 100 мм при температуре окружающей среды от плюс 19 С до плюс 22 С. Значение разрешающей способности конструктивно- технологических приемов НЛГМ составляет менее 30 нм и может быть снижено до 15 нм.
Экспериментальная оптимизация технологических микроциклов изготовления чувствительных наноэлементов позволила достичь минимального уровня встроенных механических напряжений в пленке поликремния при использовании процесса осаждения слоя поликремния толщиной от 90 до 100 нм из газовой фазы при температуре 630 ˚С и его последующего термического отжига при температуре 1150 ˚С в течение 60 минут. Установлено, что удаление жертвенного слоя на основе оксида кремния для создания вывешенных, подвижных областей чувствительных наноэлементов на основе функциональных слоев нитрида кремния или поликремния обеспечивается с помощью процесса высокоселективного жидкостного химического травления жертвенного слоя.
Изготовлены экспериментальные образцы тестовых структур инерциальных и виброрезонансных чувствительных наноэлементов, проведено исследование геометрических параметров различных вариантов их конструкций. Выявлено, что применение НЛГМ позволило реализовать отдельные области наноэлементов с номинальным размером 100 нм при величине погрешности его воспроизведения менее 10 %.
Разработаны уточненные физические модели электромеханических инерциальных и виброрезонансных чувствительных наноэлементов с учетом их корректировки по результатам экспериментальных исследований геометрических размеров отдельных областей наноэлементов и проведено приборно-технологическое моделирование для расчета основной собственной частоты, чувствительности, добротности, механических, динамических, демпфирующих характеристик чувствительных наноэлементов. Показано, что разработанная конструкция инерциального наноэлемента с габаритными размерами инерционной массы 50х50х0,6 мкм и толщиной поликремниевых упругих балок 100 нм имеет основную собственную частоту колебаний 24,5 кГц, обеспечивает достижение значения чувствительности 0,054 мВ/g при максимальном перемещении инерционной массы 42 нм, значения добротности 500 и коэффициента демпфирования 0,001 при давлении окружающей воздушной среды менее 5,54 Па. Анализ полученных динамических параметров и значений чувствительности физической модели виброрезонансного наноэлемента позволил установить, что резонатор из поликремния с общей длиной 4 мкм, шириной 500 нм и толщиной 100 нм имеет значение основной собственной частоты колебаний 5,188 МГц и обеспечивает чувствительность к изменению массы 8876 Гц/фемтограмм, что соответствует изменению частоты резонатора более 8 Гц при изменении массы контролируемого объекта на 1 аттограмм.
Проведенные дополнительные патентные исследования по ГОСТ 15.011-96 показали, что конструкции и разработанные нелитографические групповые методы получения трехмерных электромеханических инерциальных и виброрезонансных наноэлементов имеют признаки новизны, обладают патентной чистотой, патентоспособные и соответствуют мировому уровню по основным параметрам.
Обобщение результатов работ, позволяет заключить, что созданный научно-технический задел и результаты, полученные в рамках выполнения данной НИР, могут быть использованы для подготовки технических заданий, по которым разрабатываются новые технологии изготовления нанодатчиков и наносенсоров измерения физических величин (давление, ускорение, масса и др.), а в среднесрочной перспективе при разработке изделий наноэлектромеханики и широкого спектра наноэлектромеханических систем.