CC BY
38
УДК 621.3.049.7 DOI 10.23683/2311-3103-2019-6-53-61
С.В. Малохатко, Е.Ю. Гусев, Ю.Ю. Житяева
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ФОРМИРОВАНИЕ КРЕМНИЕВЫХ МЕМБРАН ДЛЯ АКУСТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
Микромеханические акустические преобразователи на основе мембран нашли применение в медицинских системах диагностики, дальномерах, гидроакустике, а также в биометрических системах безопасности. Постоянно расширяется круг задач, решаемых такими устройствами, возрастают требования по увеличению диапазона измерения, точности, уменьшению размеров и энергопотребления. Кроме того, многие акустические приложения нуждаются в массивах датчиков, интегрированных с электронными системами обработки сигналов. Эти особенности определили необходимость использования методов микрообработки для их промышленного изготовления. Целью данной работы является проектирование и формирование кремниевых мембран для акустических датчиков с рабочими диапазонами резонансных частот от 10 кГц до 100 МГц и давления от 0,1 до 1000 кПа. В работе выполнена оценка конструкции мембран из монокристаллического кремния для изготовления методом анизотропного жидкостного травления. Представлены аналитические зависимости давления и резонансной частоты от геометрических параметров мембран. Определены диапазоны толщин (10-50 мкм) и длины ребра мембран (200-600 мкм). Выполнен расчет топологии фотошаблона для изготовления таких мембран. Проведены экспериментальные исследования травления пластины Si раствором 30% КОН и выявлена скорость травления, которая составила 1,25±0,1 мкм/мин. Методом анизотропного жидкостного травления были сформированы кремниевые мембраны квадратной формы толщиной 50 мкм с длинами ребер от 200 до 250 мкм с резонансными частотами в диапазоне от 1,9 до 3 МГц. Полученные результаты могут быть использованы при разработке акустических датчиков из монокристаллического кремния.
МЭМС; акустический датчик; мембрана; давление; резонансная частота; анизотропное жидкостное травление; скорость травления.
S.V. Malohatko, E.Yu. Gusev, J.Y. Jityaeva
DESIGN AND FORMATION OF SILICON MEMBRANES FOR ACOUSTIC SENSORS
Micromechanical acoustic transducers based on membranes have been used in medical diagnostic systems, range finders, hydroacoustics, as well as in biometric security systems. The range of tasks solved by such devices is constantly expanding, the requirements for increasing the measuring range, accuracy, reducing the size and energy consumption are increasing. In addition, many acoustic applications require sensor arrays integrated with electronic signal processing systems. These features have determined the need for the use of micro-processing methods for their industrial production. The aim of this work is to design and form silicon membranes for acoustic sensors with operating ranges of resonant frequencies from 10 kHz to 100 MHz and pressures from 0.1 to 1000 kPa. In this paper, the design of single-crystal silicon membranes for preparation by anisotropic liquid etching is evaluated. Analytical dependences of pressure and resonance frequency on geometrical parameters of membranes are presented. We defined the ranges of the thickness (10-50 microns) and the length of the fin membranes (200-600 microns). The topology of the photomask for the manufacture of such membranes is calculated. Experimental studies of the etching of the si plate with a solution of 30% KOH were carried out and the etching rate was found to be 1.25±0.1 ¡m/min. Anisotropic liquid etching was used to form silicon membranes of quadrate shape with thickness of 50 ¡m with fin lengths from 200 to 250 ¡m with resonant frequencies in the range from 1.9 to 3 MHz. The results obtained could be used in the development of acoustic sensors made of monocrystalline silicon.
MEMS; acoustic sensor; membrane; pressure; resonant frequency; anisotropic wet etching; etching rate.
Введение. Акустические датчики, работающие в частотном диапазоне от десятков килогерц до сотен мегагерц, нашли широкое применение в различных областях промышленности и медицины, например, таких как ультразвуковая локация и приведение в действие устройств [1, 2], визуализация внутренних органов [3], терапевтическое лечение ультразвуком [4-7] и др. При этом востребованными становятся не единичные датчики, а их массивы, интегрированные с электронными системами [5, 7]. В последние двадцать лет наблюдается расширение круга задач, решаемых такими системами, и как следствие, возрастают требования по увеличению диапазона измерения, точности, уменьшению размеров и энергопотребления [8]. Отмеченная тенденция определила необходимость группового изготовления таких датчиков с использованием методов и технологий микромеханической обработки (микрообработки) [6-8].
Микромеханическое исполнение акустических преобразователей позволило достичь ряд преимуществ, таких как универсальность, низкие уровни шума и энергопотребления, а также возможность интеграции с элементами полупроводниковой микроэлектроники [8-11]. При решении последней проблемы, наряду с выбором материалов и технологических режимов операций, важным становится размер акустической части устройства, в частности, чувствительного элемента [12-15].
Чувствительным элементом микромеханического акустического датчика является мембрана, геометрические размеры и материалы которой на этапе проектирования определяются с учетом области применения/назначения (давление среды, частота колебаний) [16-21]. Для акустических датчиков, применяемых в ультразвуковых устройствах значения давлений лежат в пределах от 0,1 до 1000 кПа [19]. Такие мембраны традиционно изготавливают из монокристаллического кремния методами объемной микрообработки (изотропное и анизотропное травление, сращивание пластин) [7-11].
При такой постановке проблемы актуальной видится задача оптимизации геометрических параметров мембраны, отвечающих обозначенным диапазонам частот и давлений для ультразвуковых устройств.
Цель работы заключается в расчете конструкции и изготовлении кремниевых мембран для акустических датчиков с рабочими диапазонами резонансных частот от 10 кГц до 100 МГц и давления от 0,1 до 1000 кПа.
Методика проектирования и изготовления кремниевых мембран. Расчет конструкции мембраны (рис. 1) в виде утоненной кремниевой пластины квадратной формы проводили на основе известных выражений (1), (2) для механических характеристик давления (p) и резонансной частоты (f) жесткозакрепленных пластин с начальными внутренними напряжениями [23]:
А-А ь
т—шш^
р
Рис. 1. Схематическое изображение мембраны под нагрузкой
р = С, + С2 + С3 ^ЦгЫ (1)
к 1 а4( 1-у2) г а2 5 а4( 1-у2) у '
где Е - модуль Юнга, V - коэффициент Пуассона, С1, С2, С3 - коэффициенты, зависящие от формы мембраны, а0 - внутреннее напряжение, к, а и Ь - толщина, длина ребра и прогиб мембраны;
/о= < (2)
где к, т - жесткость и масса мембраны.
Толщину и длину ребра мембраны варьировали от 10 до 100 мкм и от 100 до 1000 мкм, соответственно. Значения геометрических параметров мембраны выбраны с учетом особенностей методики измерения механических характеристик мембран, основанной на оптическом способе определения прогиба мембраны, для частного случая прогиба мембраны равного 10 нм.
Исходные данные, которые учитывали при расчетах по выражениям (1) и (2), приведены в табл. 1 [22-24].
Таблица 1
Основные параметры материала и состояния мембраны
Параметр Значение
Модуль Юнга, ГПа 130
Плотность, кг/м3 2320
Коэффициент Пуассона 0,28
Прогиб мембраны, нм 10
Начальное внутренние напряжение, МПа 1
Коэффициент С 0,33
Коэффициент С2 1
Коэффициент С3 0,25
Для изготовления мембран использовали пластины монокристаллического кремния КЭФ 4,5 (100) с односторонней полировкой толщиной 450 мкм и диаметром 100 мм. После штатной очистки на обе стороны пластины в качестве маскирующего покрытия наносили слои 8ЮХ толщиной 2 мкм [25]. Затем с обратной стороны пластины формировали рисунок маски мембраны методами контактной фотолитографии и изотропного жидкостного травления [26]. На заключительном этапе проводили анизотропное жидкостное травление кремния в 30 % растворе КОН при температуре 80 °С на глубину 400 мкм с последующим освобождением от защитных слоев оксида кремния в 10 % растворе НБ. Глубину травления контролировали методом стилусной профилометрии [25].
Результаты и их обсуждение. Влияние геометрических параметров мембраны на давление, обеспечивающие ее прогиб на 10 нм, показано на рис. 2 и 3. Последний уточняет вклады составляющих - членов выражения (1) на величину полного давления.
а б
Рис. 2. Зависимость давления от: а - толщины, б - длины ребра мембраны
мкм
а б
Рис. 3. Зависимость составляющих полного давления (1) от: а - толщины, б - длины ребра мембраны
Из рис. 3 видно, что для выбранных диапазонов значений геометрических параметров вкладами составляющих давления, описываемых вторым и третьим ф3) членом выражения (1), можно пренебречь. Последнее справедливо в случае малых (менее 100 МПа) внутренних напряжений характерных для монокристаллического кремния [24].
Зависимость резонансной частоты от геометрических параметров мембраны, полученная по выражению (2), представлена на рис. 4.
а б
Рис. 4. Зависимость частоты от: а - толщины, б - длины ребра мембраны
Из рис. 2 и 3 видно, что влияние рассматриваемых геометрических параметров мембран на давление нагрузки имеет полярную направленность: к смещению давления в сторону больших значений приводит как утолщение мембраны, так и уменьшение длины ее ребра. Отмеченная тенденция справедлива и для частотной зависимости (см. рис. 4). Таким образом, для приложений, ориентированных на малые давления при относительно высоком уровне резонансной частоты потребуется поиск компромиссного решения.
Анализ оценочных зависимостей показал, что оптимальными геометрическими параметрами, которые удовлетворяют допустимым значениям давления и резонансной частоты, являются: толщина в диапазоне от 10 до 50 мкм, длина ребра мембраны от 200 до 600 мкм. Однако в большинстве случаев технологический процесс изготовления накладывает дополнительные ограничения. Так, в частном случае формирования мембран с использованием жидкостного анизотропного травления без создания стоп-слоя, воспроизводимая толщина мембраны ограничена значением 20-40 мкм [27]. В этих условиях для достижения заданных значений давлений и резонансной частоты линейные размеры должны находиться в диапазоне от 200 до 1000 мкм.
Для изготовления мембран выбран метод анизотропного жидкостного травления, предложен технологический маршрут, выполнены расчеты топологии, проектирование и изготовление фотошаблона, содержащего матрицу элементов, отвечающих уточненным значениям геометрических параметров.
В соответствии с приведенным маршрутом подготовлены структуры 8Ю2/81(100)/8Ю2 с «окнами» в одном из защитных слоев, обнажающими поверхность подложки монокристаллического кремния. Контроль профиля структуры в процессе травления (рис. 5) позволил получить временную зависимость глубины травления кремния (рис. 6).
Рис. 5. Профилограмма фигуры травления формируемой мембраны
Рис. 6. Экспериментальная зависимость глубины травления монокристаллического кремния от времени травления в растворе 30 % КОН при 80 °С
Согласно представленным экспериментальным данным скорость травления составила 1,25±0,1 мкм/мин. Наличие нелинейного участка на представленной зависимости и связанное с ним колебание скорости можно объяснить изменением концентрации раствора в процессе травления, вызванным испарением воды.
Рис. 7. Оптическая фотография участка экспериментального образца
с мембранами
Полное время травления монокристаллического кремния на глубину 400 мкм методом анизотропного жидкостного травления составило 315 мин. Результатом стало изготовление серии кремниевых мембран квадратной формы толщиной 50 мкм с длинами ребер в диапазоне от 200 до 250 мкм (см. рис. 7).
Заключение. В работе рассмотрены подходы к оценке конструкции мембран из монокристаллического кремния, получаемых методом анизотропного жидкостного травления. Рассчитаны зависимости давления и резонансной частоты от геометрических параметров мембраны при фиксированном уровне прогиба. Определены диапазоны толщин (10-50 мкм) и длины ребра мембран (200-600 мкм), которые удовлетворяют значениям давления (0,1-1000 кПа) и резонансной частоты (10 кГц-100 МГц), характерным для акустических датчиков, применяемых в ультразвуковых устройствах. Выполнен расчет топологии фотошаблона для изготовления таких мембран.
Проведено экспериментальное исследование анизотропного жидкостного травления монокристаллического кремния в растворе 30% KOH при температуре 80°С. Получена зависимость глубины травления от времени травления. Установлено значение скорости травления - 1,25±0,1 мкм/мин.
В результате изготовлена серия кремниевых мембран квадратной формы толщиной 50 мкм с длинами ребер от 200 до 250 мкм, рассчитанных на нагрузку
0.1.1000 кПа с резонансными частотами в диапазоне от 1,9 до 3 МГц для создания на их основе акустических датчиков, рассчитанных на ультразвуковой диапазон.
Полученные результаты могут быть использованы при разработке акустических датчиков, а также устройств микроэлектронной сенсорики и микромеханики на основе мембран из монокристаллического кремния.
Благодарности. Результаты получены при финансовой поддержке гранта Южного федерального университета (проект № ВнГр-07/2017-02) с использованием оборудования Научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Южного федерального университета.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Drinkwater B.W., Wilcox P.D. Ultrasonic arrays for non-destructive evaluation: A review // NDT E Int. - 2006. - Vol. 39. - P. 525-541.
2. JiangX., Kim K., Zhang S. [et al.]. High-temperature piezoelectric sensing // Sensors. - 2013. - Vol. 14. - P. 144-169.
3. Watson B., Friend J., Yeo L. Piezoelectric ultrasonic micro/milliscale actuators// Sens. Actuators A Phys. - 2009. - Vol. 152. - P. 219-233.
4. Donald I.; Macvicar J.; Brown T. Investigation of abdominal masses by pulsed ultrasound // Lancet. - 1958. - Vol. 271. - P. 1188-1195.
5. Fenster A., Downey D.B. 3-D ultrasound imaging: a review // IEEE Eng. Med. Biol. Mag.
- 1996. - Vol. 15. - P. 41-51.
6. ter Haar G.R. High Intensity Focused Ultrasound for the Treatment of Tumors // Echocardiography. - 2001. - Vol. 18. - P. 317-322.
7. Qiu Y., Wang H., Demore C.E.M. [et al.]. Acoustic devices for particle and cell manipulation and sensing // Sensors. - 2014. - Vol. 14. - P. 14806-14838.
8. Wu J., Fedder G.K., Carley L.R. A low-noise low-offset capacitive sensing amplifer for a 50-/spl mu/g//spl radic/Hz monolithic CMOS MEMS accelerometer // IEEE J. Solid-State Circuits. - 2004. - Vol. 39. - P. 722-30.
9. Xie J., Lee C., Feng H. Design, fabrication, and characterization of CMOS MEMS-based thermoelectric power generators // J. Microelectromech. Syst. - 2010. - Vol. 19. - P. 317-324.
10. Hautefeuille M., O'Mahony C., O'Flynn B. [et al.]. A MEMS-based wireless multisensor module for environmental monitoring // Microelectron. Reliab. - 2008. - Vol. 48. - P. 906-10.
11. Judy J. W. Microelectromechanical system (MEMS): fabrication, design and applications // Smart Mater. Struct. - 2001. - Vol. 10. - P. 1115.
12. MuraltP., Baborowski J. Micromachined ultrasonic transducers and acoustic sensors based on piezoelectric thin films // J. Electroceram. - 2004. - Vol. 12. - P. 101-108.
13. Akasheh F., Myers T., Fraser J.D. [et al.]. Development of piezoelectric micromachined ultrasonic transducers // Sens. Actuators A Phys. - 2004. - Vol. 111. - P. 275-287.
14. Wang Z., Zhu W., Tan O.K. [et al.]. Ultrasound radiating performances of piezoelectric micromachined ultrasonic transmitter // Appl. Phys. Lett. - 2005. - Vol. 86. - P. 033508-033508-3.
15. Muralt P., Ledermann N., Paborowski J. [et. al]. Piezoelectric micromachined ultrasonic transducers based on PZT thin films // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control.
- 2005. - Vol. 52. - P. 2276-2288.
16. Ladabaum I., Jin X., Soh H.T. [et al.]. Surface micromachined capacitive ultrasonic transducers // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. - 1998. - Vol. 45. - P. 678-690.
17. Gurun G., Tekes C., Zahorian J. [et al.]. Single-chip CMUT-on-CMOS front-end system for real-time volumetric IVUS and ICE imaging // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. - 2014. - Vol. 61. - P. 239-250.
18. Park K., Oralkan O., Khuri-Yakub B. A comparison between conventional and collapse-mode capacitive micromachined ultrasonic transducers in 10-MHz 1-D arrays // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. - 2013. - Vol. 60. - P. 1245-1255.
19. Morris D.J., Need R.F., Anderson M.J. [et al.]. Enhanced actuation and acoustic transduction by pressurization of micromachined piezoelectric diaphragms // Sensors and Actuators A Physical. - 2010. - Vol. 161. - P. 164-172.
20. Suzuki K., Higuchi K., Tanigawa H. A silicon electrostatic ultrasonic transducer // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. - 1989. - Vol. 36. - P. 620-627.
21. Caronti A., Caliano G., Carotenuto R. [et al.]. Capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) arrays for medical imaging // Microelectron. J. - 2006. - Vol. 37. - P. 770-777.
22. French P.J. Polysilicon: a versatile material for Microsystems // Sensors and actuators A Physical. - 2002. - Vol. 99. - P. 3-12.
23. Лучинин В.В., Таиров Ю.М. Нанотехнология: физика, процессы, диагностика, приборы.
- М.: Физматлит, 2006. - 552 c.
24. Матяш И.Е., Минайлова И.А., Сердега Б.К. [и др.]. Остаточные напряжения в кремнии и их эволюция при температурной обработке и облучении // Физика и техника полупроводников. - 2017. - Т. 51, № 9. - С. 1155-1159.
25. Gusev E.Yu., Jityaeva J.Y., Ageev O.A. Effect of PECVD conditions on mechanical stress of silicon films // Materials Physics and Mechanics. - 2018. - Vol. 37, No. 1. - P. 67-72.
26. Гусев Е.Ю., Житяева Ю.Ю., Коломийцев А.С. [и др.]. Исследование режимов жидкостного травления жертвенного слоя SiO2 для формирования микромеханических структур на основе Si*/SiO2/Si // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2015. - № 2 (163). - С. 236-245.
27. Franssila S. Introduction to Microfabrication. - Chichester: John Wiley & Sons, 2010.
- P. 237-254.
REFERENCES
1. Drinkwater B.W., Wilcox P.D. Ultrasonic arrays for non-destructive evaluation: A review, NDTE Int., 2006, Vol. 39, pp. 525-541.
2. Jiang X., Kim K., Zhang S. [et al.]. High-temperature piezoelectric sensing, Sensors, 2013, Vol. 14, pp. 144-169.
3. Watson B., Friend J., Yeo L. Piezoelectric ultrasonic micro/milliscale actuators, Sens. Actuators A Phys., 2009, Vol. 152, pp. 219-233.
4. Donald I.; Macvicar J.; Brown T. Investigation of abdominal masses by pulsed ultrasound, Lancet, 1958, Vol. 271, pp. 1188-1195.
5. Fenster A., Downey D.B. 3-D ultrasound imaging: a review, IEEE Eng. Med. Biol. Mag., 1996, Vol. 15, pp. 41-51.
6. ter Haar G.R. High Intensity Focused Ultrasound for the Treatment of Tumors, Echocardiography, 2001, Vol. 18, pp. 317-322.
7. Qiu Y., Wang H., Demore C.E.M. [et al.]. Acoustic devices for particle and cell manipulation and sensing, Sensors, 2014, Vol. 14, pp. 14806-14838.
8. Wu J., Fedder G.K., Carley L.R. A low-noise low-offset capacitive sensing amplifer for a 50-/spl mu/g//spl radic/Hz monolithic CMOS MEMS accelerometer, IEEE J. Solid-State Circuits, 2004, Vol. 39, pp. 722-30.
9. Xie J., Lee C., Feng H. Design, fabrication, and characterization of CMOS MEMS-based thermoelectric power generators, J. Microelectromech. Syst., 2010, Vol. 19, pp. 317-324.
10. Hautefeuille M., O'Mahony C., O'Flynn B. [et al.]. A MEMS-based wireless multisensor module for environmental monitoring, Microelectron. Reliab., 2008, Vol. 48, pp. 906-10.
11. Judy J. W. Microelectromechanical system (MEMS): fabrication, design and applications, Smart Mater. Struct, 2001, Vol. 10, pp. 1115.
12. MuraltP., Baborowski J. Micromachined ultrasonic transducers and acoustic sensors based on piezoelectric thin films, J. Electroceram, 2004, Vol. 12, pp. 101-108.
13. Akasheh F., Myers T., Fraser J.D. [et al.]. Development of piezoelectric micromachined ultrasonic transducers, Sens. Actuators A Phys., 2004, Vol. 111, pp. 275-287.
14. Wang Z., Zhu W., Tan O.K. [et al.]. Ultrasound radiating performances of piezoelectric micromachined ultrasonic transmitter, Appl. Phys. Lett., 2005, Vol. 86, pp. 033508-033508-3.
15. Muralt P., Ledermann N., Paborowski J. [et. al]. Piezoelectric micromachined ultrasonic transducers based on PZT thin films, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 2005, Vol. 52, pp. 2276-2288.
16. Ladabaum I., Jin X., Soh H.T. [et al.]. Surface micromachined capacitive ultrasonic transducers, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 1998, Vol. 45, pp. 678-690.
17. Gurun G., Tekes C., Zahorian J. [et al.]. Single-chip CMUT-on-CMOS front-end system for real-time volumetric IVUS and ICE imaging, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 2014, Vol. 61, pp. 239-250.
18. Park K., Oralkan O., Khuri-Yakub B. A comparison between conventional and collapse-mode capacitive micromachined ultrasonic transducers in 10-MHz 1-D arrays, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 2013, Vol. 60, pp. 1245-1255.
19. Morris D.J., Need R.F., Anderson M.J. [et al.]. Enhanced actuation and acoustic transduction by pressurization of micromachined piezoelectric diaphragms, Sensors and Actuators A Physical, 2010, Vol. 161, pp. 164-172.
20. Suzuki K., Higuchi K., Tanigawa H. A silicon electrostatic ultrasonic transducer, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 1989, Vol. 36, pp. 620-627.
21. Caronti A., Caliano G., Carotenuto R. [et al.]. Capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) arrays for medical imaging, Microelectron. J., 2006, Vol. 37, pp. 770-777.
22. French P.J. Polysilicon: a versatile material for Microsystems, Sensors and actuators A Physical, 2002, Vol. 99, pp. 3-12.
23. Luchinin V.V., Tairov Yu.M. Nanotekhnologiya: fizika, protsessy, diagnostika, pribory [Nano-technology: physics, processes, diagnostics, devices]. Moscow: Fizmatlit, 2006, 552 p.
24. Matyash I.E., Minaylova I.A., Serdega B.K. [i dr.]. Ostatochnye napryazheniya v kremnii i ikh evolyutsiya pri temperaturnoy obrabotke i obluchenii [Residual stresses and their evolution after heat treatment and irradiation in silicon], Fizika i tekhnikapoluprovodnikov [Semiconductors/physics of the solid state], 2017, Vol. 51, No. 9, pp. 1155-1159.
25. Gusev E.Yu., Jityaeva J.Y., Ageev O.A. Effect of PECVD conditions on mechanical stress of silicon films, Materials Physics and Mechanics, 2018, Vol. 37, No. 1, pp. 67-72.
26. Gusev E.Yu., Zhityaeva Yu.Yu., Kolomiytsev A.S. [i dr.]. Issledovanie rezhimov zhidkostnogo travleniya zhertvennogo sloya SiO2 dlya formirovaniya mikromekhanicheskikh struktur na osnove Si*/SiO2/Si [Research of wet SiO2 sacrificial layer etching for MEMS structures forming based on poly-Si/SiO2/Si], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2015, No. 2 (163), pp. 236-245.
27. Franssila S. Introduction to Microfabrication. Chichester: John Wiley & Sons, 2010, pp. 237-254.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор И.Е. Лысенко.
Малохатко Софья Владимировна - Южный федеральный университет, e-mail: [email protected]; 347928, г. Таганрог, ул. Шевченко, 2, корп. Е; тел.: +79289003841; кафедра нанотехнологий и микросистемной техники; аспирант.
Гусев Евгений Юрьевич - e-mail: [email protected]; тел: +78634371611; Институт нанотехнологий, электроники и приборостроения; кафедра нанотехнологий и микросистемной техники; к.т.н.; доцент.
Житяева Юлия Юрьевна - e-mail: [email protected]; тел: +78634371611; научно-образовательный центр «Нанотехологии»; м.н.с.
Malohatko Sofya Vladimirovna - Southern Federal University; e-mail: [email protected]; 2, Shevchenko street, build E, Taganrog, 347928, Russia; phone: +79289003841; the department of nanotechnology and microsystems technology; postgraduate.
Gusev Evgeny Yurievich - e-mail: [email protected]; phone: +78643371611; Institute of Nan-otechnologies, Electronics and Equipment Engineering; the department of nanotechnology and microsystem technics; cand. of eng. sc.; associate professor.
Jityaeva Juliya Yurievna - e-mail: [email protected]; phone: +78643371611; Research and Education Center «Nanotechnologies»; junior researcher.
УДК 621.382:612.8 Б01 10.23683/2311-3103-2019-6-61-70
Е.Ю. Гусев, Ю.Ю. Житяева
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОЭЛЕКТРОДНОГО МИКРОЗОНДА ДЛЯ МАЛОИНВАЗИВНОГО НЕЙРОКОМПЬЮТЕРНОГО
ИНТЕРФЕЙСА
Работа посвящена разработке технологии изготовления многоэлектродного микрозонда (нейрозонда) методами поверхностной микрообработки и анизотропного жидкостного травления кремния на основе инфраструктуры научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Южного федерального университета. Разработка выполнена для реализации типовой конструкции нейрозонда, которая состоит из основания, нескольких балок прямоугольной формы с заостренным концом и электрического интерфейса. Технологический маршрут основан на 4 фотолитографиях и включает 18 основных операций, в т.ч. очистку подложки, термическое окисление, плазмохимическое осаждение оксида и нитрида кремния, быстрый термический отжиг, плазмохимическое травление нитрида и оксида кремния, жидкостное изотропное и анизотропное травление оксида кремния и монокристаллического кремния, электронно-лучевое напыление металлов. Проведены экспериментальные исследования анизотропного жидкостного травления монокристаллического кремния в растворе гидроксида калия через маску плазменного оксида кремния, а также влияния быстрого термического отжига на стойкость маски. Исследовано влияние концентрации раствора на скорость и шероховатость поверхности травления в диапазоне от 10 до 40 % при температуре 80 ^. Установлено, что травление в 27-30 % растворе приводит к формированию поверхности с наименьшим среднеарифметическим значением ше-
