Формирование маски для травления алмазных пленок

Изобретение относится к технологии изготовления интегральных схем. Сущность изобретения заключается в том, что маска из диэлектрика или металла изготавливается до роста алмазной пленки на подложке с ровной поверхностью, обеспечивающей субмикронные размеры маски, с последующим формированием на маске алмазной пленки и вскрытием окна со стороны подложки, что обеспечивает доступ со стороны подложки реагентов для травления алмазной пленки через маску. Изобретение обеспечивает формирование субмикронной маски для травления алмазной пленки до роста алмазной пленки. 6 ил.,1 табл.

 

Изобретение относится к технологии изготовления интегральных схем и может быть использовано в технологии изготовления интегральных схем на основе алмазных пленок.

В электронике алмаз считается материалом 21 века [1], так как позволяет разработать ряд устройств с уникальными характеристиками: мощные устройства для СВЧ систем терагерцового диапазона [2], генераторы пикосекундных зарядовых импульсов для лазеров на свободных электронах [3], высокочувствительные биосенсоры для расшифровки генома человека [4] и т.д. В основе функционирования большинства этих устройств лежит способность алмаза к эмиссии электронов. Автоэмиссия используется для создания автоэмиттеров электронов, а вторичная эмиссия - для усиления электронного потока. При этом возникает необходимость в проведении литографии для придания поверхности алмаза нужного рисунка.

Хорошо известно, что если поверхность гладкая, как это имеет место для моноалмаза, то вся трудность возникает из-за небольшой поверхности, которая сейчас не превышает 25 мм² [5]. Если поверхность рельефная, как это имеет место для поликристаллических алмазных пленок [6, 7], то тогда расположенные на поверхности кристаллы не позволяют провести соответствующую литографию, хотя поверхность таких пленок может достигать 10⁴ мм² и более. Шероховатость поверхности при этом составляет 10% от толщины пленки [6]. С появлением ультра-нанокристаллических алмазных пленок (UNCD) неровность поверхности составляет 20-50 нм, однако концентрация азота в них достигает 10²⁰-10²¹ см^-3, что ограничивает их применение.

Для получения малых размеров на алмазных пленках наиболее близким способом к предлагаемому способу является способ, представленный в работе [6]. В этом случае литография на поликристаллических алмазных пленках проводится после трудоемкой операции шлифовки и полировки, для чего необходимо выращивать пленку толщиной не менее 8-10 мкм [6]. Но и в этом случае неизвестно, чтобы литография с минимальным размером 1 мкм и менее была осуществлена на площади 10⁴ мм².

Целью изобретения является разработка технологии формирования субмикронной маски для травления алмазной пленки путем ее формирования до роста пленки.

Поставленная цель достигается тем, что маска из диэлектрика или металла изготавливается до роста алмазной пленки на подложке с ровной поверхностью, обеспечивающей субмикронные размеры маски, с последующим формированием на маске алмазной пленки и вскрытием окна со стороны подложки, что обеспечивает доступ со стороны подложки реагентов для травления алмазной пленки через маску.

Последовательность технологических операций, с помощью которых достигается поставленная цель, представлена на рисунках: а - нанесение материала маски 2; b - проведение литографии для получения маски 3; с -напыление SiO₂ и Si₃N₄ и вскрытие окна 4; d - нанесение на маску алмазных нанокристаллов 5; е - выращивание алмазной пленки 6; f - вытравливание окна 7.

Характерной чертой представленной технологии является то, что маска для травления создается до роста алмазной пленки. Последовательность осуществляемых при этом операций представлена на рисунке.

1. На поверхность кремниевой пластины 1 наносится или выращивается пленка 2 из материала, который подходит для маски при травлении алмаза. В качестве материала можно использовать окись кремния SiO₂, нитрид кремния Si₃N₄ и титан Ti. Маски из этих материалов не разрушаются при температуре роста алмазных пленок. Толщина пленки 2 определяется глубиной травления алмазной пленки. Если травление пленки осуществляется в ЭЦР плазме (ЭЦР - электронный циклотронный резонанс) и для этого используется аргон и кислород Ar:O₂=6:20 sccm, то для определения толщины маски можно воспользоваться данными о скоростях травления маски и алмазной пленки, приведенными в таблице. В таблице приводятся данные также и для случая, когда дополнительно используется элегаз SF₆ (рис а).

Таблица.
Скорости травления алмаза и маски
Материал маски	SF6 (sccm)	Скорость травления алмаза (nm/min)	Скорость травления маски (nm/min)
Ti	0	114	9.6
Ti	2	41	45
SiO2	0	74	9.3
SiO2	2	123	22.7
Si3N4	0	96	14.8
Si3N4	2	113	22.7

2. Из пленки 2 обычными методами фото или электронной литографии формируется маска 3 для травления алмазной пленки (рис.b).

3. На обратной стороне кремниевой пластины сначала наносят слои SiO₂ и Si₃N₄ соответственно с толщинами 0.3 µm и 0.1 µm, а затем в них вскрывается окно 4 для последующего травления кремния (рис.с).

4. На маску 3 методом центрифугирования наносится суспензия нанокристаллов алмаза. После просушки на поверхности маски 3 и открытых участках поверхности кремния остаются нанокристаллы 5, необходимые для стимуляции роста алмазной пленки (рис.d).

5. Одним из методов химико-газового осаждения CVD [1] на верхней части кремниевой пластины выращивается поликристаллическая или нанокристаллическая алмазная пленка 6 (рис.е).

6. В 40% водном растворе КОН при температуре 85°C через окно 4 производится травление кремния. Процесс автоматически заканчивается, когда фронт травления достигает маску 3. В результате в пластине кремния образуется полость 7 в виде усеченной пирамиды или усеченного конуса, основанием которых служит окно 4, а верх закрыт маской 3 с алмазной пленкой 6 на ней (рис.f).

Образованием полости 7 в основном завершается процесс формирования маски для травления алмазной пленки. Провести процесс травления через маску можно с помощью плазмы Ar+O₂+CF₄.

Рассмотренная технология может обеспечить разработку ряда уникальных приборов на основе алмазной пленки. Отметим некоторые из них.

1. В ряде электрооптических приборов (ЭОП) требуется усилить электронный поток при сохранении разрешающей способности изображения, переносимого этим потоком, более 100 лин/мм. Из работ [8, 9] следует, что для этого можно использовать пористую алмазную мембрану. Предлагаемая технология позволяет довести плотность пор в алмазной мембране до 500 отверстий на мм, т.е. довести разрешающую способность до 500 лин/мм.

2. В работе [10] показано, что матрица конусов из поликристаллического алмаза является хорошим автоэмиттером. Используемая в этой работе технология позволяет получить на площади 50×50 мкм² матрицу конусов с шагом ~4-5 мкм, при этом плотность тока автоэмиссии достигает ~20-25 А/см². Уменьшив шаг до 2 мкм, плотность тока можно довести до 100 А/см².

3. Наконец, используя литографию, обеспечивающую минимальные размеры 20 нм-50 нм, можно изготовить алмазную мембрану с отверстиями размером ~20-50 нм, расположенными в виде матрицы 10³×10³. Такая матрица является чувствительным элементом биосенсора для анализа ДНК и расшифровки генома человека [11, 12]. Изготовление такого элемента можно представить следующим образом. Сначала, используя материалы SiO₂, Si₃N₄ и Ti, изготавливают на поверхности кремниевой пластины матрицу, каждый элемент которой представляет два изолированных электрода - сток и исток. Между ними располагается маска для травления наноотверстия. Затем выращивается алмазная пленка и формируется алмазная мембрана с наноотверстиями. Чтобы между стоком и истоком возник канал p-типа проводимости, алмазную пленку подвергают гидрогенизации [2].

Источники информации

1. May P.W. // Phil. Trans. R. Soc. bond. A. 2000 V.358. P.473-495.

2. Gurbur Y., Esame O., Tekin I. et al. // Solid - State Electronics. 2005. V.49. P.1005-1070.

3. Jensen K.L., Yater J.E., Shaw J.L. et al. // Journal of Applied Physics. 2010. V.108. P.044509 (1-12).

4. Zou Y.S., Tyang Y., Zhang W.J. et al. // Appl. Phys. Lett. 2008. V.92. P.053105 (1-3).

5. Doering P., Genis A. and Linares R. // Large Area Single Crystal Diamond Wafers; Applications, Status, and Future Perspectives CS. Mantech Conference. Austin, Texas, USA. May 14-17. 2007. P.127-128.

6. Robarot M., Widiez J., Saada S. et al. // Diamond Relat. Mater. 2010. V.19. P.796-805.

7. Tran D.T., Grotjohn T.A., Reinhard D.K., Asmussen J. // Diamond Relat. Mater. 2008. P.5.

8. Гаврилов С.А., Дзбановский H.H., Ильичев Э.А. и др. // ЖТФ. 2004. Т.74. В.1. С.108-114.

9. Dvorkin V.V., Dzbanovsky N.N., Suetin N.V. et al. // Diamond Relat. Mater. 2003. V.12. P.2208-2218.

10. Tatsumi N., Ueda A., Seki Y. et al. // SEI Technical Review. 2007. N.64. P.15-20.

11. Smirnov W., Hees J.J., Brink D. et al. // Appl. Phys. Lett. 2010. V.97. P.073117 (1-3).

12. Kriele A., Williams O.A., Wobfer M. et al. // Chemical Physics Letters. 2011. V.507. N.4-6. P. 253-259.

Способ формирования маски из металла или диэлектрика с помощью технологии изготовления интегральных схем для травления алмазных пленок, отличающийся тем, что с целью получения субмикронных размеров элементов из алмазной пленки маска формируется на подложке с ровной поверхностью, обеспечивающей субмикронные размеры маски, с последующим ростом на маске алмазной пленки и формированием со стороны подложки полости, обеспечивающей доступ со стороны подложки реагентов для травления пленки через маску.