CC BY
27
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: malohatko.sofya@yandex.ru; 347928, г. Таганрог, ул. Шевченко, 2, корп. Е; тел.: +79289003841; кафедра нанотехнологий и микросистемной техники; аспирант.
Гусев Евгений Юрьевич - e-mail: eyugusev@sfedu.ru; тел: +78634371611; Институт нанотехнологий, электроники и приборостроения; кафедра нанотехнологий и микросистемной техники; к.т.н.; доцент.
Житяева Юлия Юрьевна - e-mail: julia.jityaeva@gmail.com; тел: +78634371611; научно-образовательный центр «Нанотехологии»; м.н.с.
Malohatko Sofya Vladimirovna - Southern Federal University; e-mail: malohatko.sofya@yandex.ru; 2, Shevchenko street, build E, Taganrog, 347928, Russia; phone: +79289003841; the department of nanotechnology and microsystems technology; postgraduate.
Gusev Evgeny Yurievich - e-mail: eyugusev@sfedu.ru; 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: julia.jityaeva@gmail.com; phone: +78643371611; Research and Education Center «Nanotechnologies»; junior researcher.
УДК 621.382:612.8 DOI 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-
роховатости 13 нм. Скорости травления монокристаллического кремния и оксида кремния составили 1,5 мкм/мин для грани (100), 3 нм/мин для (111), и 10 нм/мин, соответственно. Установлено, что отжиг при 600 °С в течение 3 мин повышает стойкость оксида кремния к действию раствора щелочи в 2 раза. Апробация разработки проведена на примере изготовления серии двухбалочных микрозондов на пластине КЭФ (100) диаметром 100 мм и толщиной 420 мкм. Настоящий технологический процесс может быть использован для изготовления нейрозондов с различным количеством и размещением балок и электродов.
Нейрокомпьютерный интерфейс; микрозонд; нейрозонд; монокристаллический кремний; поверхностная микрообработка; анизотропное жидкостное травление; технология изготовления.
E.Yu. Gusev, J.Y. Jityaeva
PROCESS TECHNOLOGY OF MULTIELECTRODE MICROPROBE FOR A MINIMALLY INVASIVE NEUROCOMPUTER INTERFACE
The work is devoted to the development of technology of manufacturing a multielectrode microprobe (neuroprobe) using surface micromachining and anisotropic wet etching of silicon based on the infrastructure of the Research and Education Centre "Nanotechnologies" of Southern Federal University. The development was carried out to implement a typical design of the neuroprobe, which consists of a base, several beams of rectangular shape with a pointed end and electrical interface. The process flow based on 4 photolithography steps and includes 18 main operations like substrate cleaning, thermal oxidation, plasma-chemical deposition of silicon oxide an nitride d, rapid thermal annealing, plasma-chemical etching of silicon nitride and oxide, isotropic and anisotropic wet etching of silicon oxide and monocrystalline silicon, and metals deposition by electron-beam evaporation. Experimental researches of anisotropic wet etching of monocrystalline silicon in a potassium hydroxide solution through a mask of plasma deposited silicon oxide, as well as the effect of rapid thermal annealing on the mask resistance were conducted. The effect of the solution concentration (from 10 to 40%) on the etching rate and surface roughness at 80 °C was studiedThe etching in 2730 % KOH solution leads to formation of a surface with a minimum average roughness value of 13 nm. The etching rates of monocrystalline silicon and silicon oxide were 1.5 pm/min for (100) face, 3 nm/min for (111) face, and 10 nm/min, respectively. Rapid thermal annealing at 600 °C for 3 nin increases resistance of silicon oxide the alkaline solution by 2 times. The developed technology was tested on the example offormation a two bean neuroprobes on 420 thick 4'' silicon wafer (100). A series neuroprobe structures was fabricated. The developed technology could be used for the fabrication of neuroprobes with various numbers and placement of beams and electrodes.
Neurocomputer interface; microprobe; neuroprobe; monocrystalline silicon; surface mi-cromachining; anisotropic wet etching; process technology.
Введение. В настоящее время исследование мозговой активности и разработка нейрокомпьютерных интерфейсов является актуальным научным направлением, развитие которого невозможно без разработки новых методов и инструментов [1-9]. В области инвазивной диагностики распространение получили микрозонды, изготавливаемые методами микрообработки (далее нейрозонды) [1-4].
Нейрозонд - это устройство для приема и передачи электрических сигналов между мозгом и компьютером [1-3]. Типовая конструкция нейрозонда включает массивное основание с выступающими из него балками и электрический интерфейс. Имплантация балок в ткани мозга приводит к их повреждению, которое пропорционально объему погружаемой части нейрозонда [2-3]. Уменьшение габаритных размеров балок до микроуровня позволяет свести к минимуму их негативное воздействие на близлежащие ткани мозга. Регистрация электрической активности множества единичных нейронов обеспечивается благодаря электрическому интерфейсу [1-9]. Последний образован матрицами считывающих электродов, расположенных на балках, соединенных проводящими дорожками с контактными площадками основания. Важными требованиями к электродам являются биосовместимость и эксплуатационная стабильность их параметров [2]. Поэтому обычно они
состоят из нескольких слоев металлов, таких как хром, титан, серебро, золото и платина [1-4]. Так как полная толщина многослойной металлизации составляет около 300-400 нм электроды формируют методом обратной фотолитографии [5, 6].
Материалы нейрозондов должны иметь достаточный запас прочности, чтобы выдерживать механические нагрузки, возникающие при внедрении и извлечении зонда. Конструкционным материалом большинства нейрозондов является кремний [1-5]. Несмотря на присущую кремнию хрупкость, его электрические, механические и термические свойства, а также высокая технологичность обеспечивают наилучшие конструктивно-технологические решения [5-7]. Устройства на его основе могут проникать на большую глубину, по сравнению с полимерными структурами, что позволяет повысить количество записываемой информации [2-4]. При этом минимальная толщина кремниевых структур, которая определяет прочность зонда, составляет 20-50 мкм. В качестве изолирующего и защитного слоев в ней-розондах может быть использовано сочетание слоев плазменного и термического оксида кремния, а также слои нитрида кремния [5].
К настоящему времени разработан ряд технологических процессов изготовления нейрозондов на основе металлических проволок, а также балок из кремния и полимерных материалов [1-3]. Применение технологий микрообработки кремния позволило стандартизировать процесс изготовления зондов с минимально возможными размерами и точным расположением электродов [8, 9]. Технология изготовления нейрозондов с матричной структурой, основанная на использовании операции легирования бором для формирования «стоп-слоя» и дальнейшего селективного растворения подложки, ограничивает длину стержней в 1,5 мм (определяется толщиной подложки) и обладает низкой производительностью [2].
Для многоканальных систем нейрокомпьютерного интерфейса разработан технологический процесс на основе пластин кремний-на-изоляторе и операции глубокого реактивного ионного травления, обеспечивающий изготовление нейрозондов, содержащих более 1000 электродов [2, 8, 9]. Использование операции анизотропного жидкостного травления характерно для технологических процессов изготовления более простых (с меньшим числом электродов) конструкций микрозондов [1-4, 10].
Стремление к менее инвазивному воздействию и более прецизионному позиционированию определяет необходимость совершенствования нейрозондов: не только конструкций, но и технологических процессов их изготовления [1-9]. При этом важным становится вопрос учета технологических возможностей разработчика [11-15].
Цель работы заключается в разработке технологии изготовления многоэлектродного нейрозонда методами поверхностной микрообработки и анизотропного жидкостного травления кремния на основе инфраструктуры НОЦ «Нанотехнологии» ЮФУ.
Методика исследования и изготовления. Разработку технологического маршрута проводили для реализации типовой структуры нейрозонда на основе монокристаллического кремния, которая включает массивное основание с выступающими из него балками и электрический интерфейс, изолированные слоем диэлектрика (рис. 1) [1-8].
Рис. 1. Структура нейрозонда: 1 - основание с балками, 2 - изолирующий слой, 3 - электрический интерфейс
1
з
Последующее проектирование и разработку технологии изготовления выполняли на примере нейрозондов содержащих несколько (две и более) балок, применяемых при исследовании мозговой деятельности с малоканальной (от 2 до 16 каналов) системой обработки информации. Принятые конструктивно-технологические ограничения, такие как минимальный размер элемента - 1-2 мкм, однослойная металлизация и простота изготовления, определили выбор операций поверхностной микрообработки и жидкостного травления для формирования основания с балками, и операции обратной фотолитографии для организации электрического интерфейса.
Для определения оптимальных технологических режимов изготовления нейрозондов проводили экспериментальные исследования анизотропного жидкостного травления монокристаллического кремния в растворе гидроксида калия (KOH) через маску плазменного оксида кремния, а также влияния быстрого термического отжига на стойкость маски. Влияние концентрации раствора на скорость и шероховатость поверхности травления исследовали в диапазоне от 10 до 40 % при температуре 80°C [16]. Отжиг проводили при температуре 600°С в течение 3 мин (STE RTA70). В качестве образцов использовали структуры SiOx/n-Si(100)/SiOx, полученные ранее в [17, 18]. Скорость травления и шероховатость поверхности травления контролировали методами стилусной профилометрии (AlphaStep D-100) и атомно-силовой микроскопии (NTEGRA Vita).
Для реализации частного случая нейрозондов использовали комплект фотошаблонов, рассчитанный на формирование ячеек из пар встречно направленных зондов, подвешенных на рамке.
Изготовление структур нейрозондов проводили на пластине монокристаллического кремния n-типа с ориентацией (100) диаметром 100 мм и толщиной 420 мкм (КЭФ-4,5). Изолирующие и маскирующие слои оксида и нитрида кремния наносили методом плазмохимического осаждения из газовой фазы (PlasmaLab 100, STE ICP d81) [11, 15, 17]. Топологические рисунки слоев получали методами прямой фотолитографии (MJB4) и изотропного жидкостного травления в буферном растворе плавиковой кислоты (HF/NH4F) [18] или плазмохимического травления (STE ICP e68) [11, 15]. Для формирования электрического интерфейса использовали обратную фотолитографию и электронно-лучевое напыление (Auto 500). При этом снятие фоторезиста («взрыв») проводили в метилпирролидоне при 60 °С в течение 30 минут в ультразвуковой ванне. Монокристаллический кремний травили анизотропно в растворе гидроксида калия при температуре 80°C (концентрацию и время травления выбирали по результатам вышеописанных исследований).
Результаты и их обсуждение. Разработанный маршрут изготовления нейро-зонда состоит из 18 основных операций:
1. Химическая очистка пластин монокристаллического кремния стандартным методом (RCA).
2. Термическое окисление кремния до получения окисла толщиной 200 нм (рис. 2,а).
3. 1-я обратная фотолитография для формирования элементов электрического интерфейса.
4. Электронно-лучевое напыление системы металлов толщиной 400 нм.
5. Плазмохимическое осаждение слоя нитрида кремния толщиной 0,5 мкм.
6. Быстрый термический отжиг.
7. 2-я фотолитография для вскрытия окон в нитриде кремния к контактным площадкам и электродам, а также формирования топологии нейрозонда.
8. Плазмохимическое травление нитрида и оксида кремния на толщину слоев (рис. 2,б).
9. Анизотропное жидкостное травление кремния на 30-50 мкм (рис. 2,в).
10. Плазмохимическое осаждение оксида кремния толщиной 2 мкм на тыльную сторону.
11. Быстрый термический отжиг.
12. 3-я фотолитография для формирования топологии основания нейрозонда с тыльной стороны.
13. Плазмохимическое травление оксида кремния на всю толщину.
14. Плазмохимическое осаждение оксида кремния толщиной 2 мкм на лицевую сторону.
15. Быстрый термический отжиг.
16. Анизотропное жидкостное травление кремния на остаточную толщину подложки (рис. 2,г).
17. Жидкостное травление (снятие) оксида кремния с обеих сторон.
18. Механическое отделение основания нейрозонда от рамки.
Рис. 2. Поперечное сечение структуры нейрозонда на различных этапах технологического маршрута
Проведены экспериментальные исследования анизотропного жидкостного травления монокристаллического кремния в растворе гидроксида калия с использованием структур SiOx/n-Si(100)/SiOx), а также влияния быстрого термического отжига на стойкость маскирующего оксида кремния. Влияние концентрации раствора на скорость и шероховатость поверхности травления показано на рис. 3. Из рисунка видно, что скорость травления монокристаллического кремния изменяется нелинейно от 1,1 до 1,5 мкм/мин для грани (100) при увеличении концентрации раствора от 10 до 40 %. При этом скорость травления грани (111) не превышала 3 нм/мин. Согласно данным атомно-силовой микроскопии шероховатость поверхности травления также имеет сильную концентрационную зависимость. По мере насыщения раствора среднеарифметическое значение шероховатости уменьшается, испытывая минимум (13 нм) при концентрации немногим более 30%. Учитывая, что в окрестности этого значения (точнее 27-30%) концентрационная зависимость скорости травления обнаруживает максимум, такие условия травления могут быть рекомендованы в качестве технологического режима анизотропного жидкостного травления кремния. Скорость травления плазменного оксида кремния при этих условиях составила 10 нм/мин. Травление проходило неравномерно по площади пластины из-за дефектов в пленке оксида. В результате операции быстрого термического отжига пленка стала более плотной и однородной, а скорость ее
травления уменьшилась до 4,4 нм/мин. Режимы анизотропного жидкостного травления, уточненные в ходе исследований, позволили провести сквозное травление подложки кремния через маску отожженного оксида кремния. На рис. 4 показан профиль такой структуры после 20 минут травления. С учетом толщины маскирующего слоя оксида кремния глубина травления составила 30 мкм.
Рис. 3. Зависимость среднеарифметического значения шероховатости монокристаллического кремния и скорости травления от концентрации КОН
при 80 °С
На заключительном этапе разработки технологии изготовлена серия структур ней-розондов в соответствии с предложенным маршрутом и установленными режимами. На рис. 5 показан общий вид структур после анизотропного жидкостного травления.
Рис. 4. Профилограмма поверхности образца после 20 минут травления в растворе КОН при 80 °С
Рис. 5. Оптические изображения топологического рисунка структур нейрозондов с лицевой (а) и обратной (б) стороны пластины
Поперечное сечение балок изготовленных структур зондов имеет трапециевидную форму с размерами оснований 37 и 80-100 мкм, что обусловлено анизотропией травления кремния по различным кристаллографическим направлениям. Электрический интерфейс представлен 10 электродами. Их количество может быть увеличено за счет использования многоуровневой металлизации и электронно-лучевой литографии. Заостренный конец балок, определенный рисунком фотошаблона, сформирован в процессе анизотропного жидкостного травления и дополнительно может быть модифицирован методом профилирования фокусированными ионными пучками [19-21].
Важно отметить, что предложенная технология допускает изготовление ней-розондов с различным количеством имплантируемых балок и электродов.
Заключение. В работе представлены результаты разработки технологии изготовления многоэлектродного нейрозонда на основе операций поверхностной микрообработки и анизотропного жидкостного травления кремния для реализации в условиях лаборатории плазменных нанотехнологий НОЦ «Нанотехнологии» ЮФУ. Предложен технологический маршрут, состоящий из 18 основных операций, в том числе 4 фотолитографий. Определены оптимальные технологические режимы анизотропного жидкостного травления монокристаллического кремния n-типа. Установлено, что травление в 27-30 % растворе гидроксида калия при температуре 80°С обеспечивает формирование поверхности с низкой шероховатостью (среднеарифметическим значением шероховатости 13 нм). При этом скорость травления кремния составляет 1,5 мкм/мин для (100) грани и менее 3 нм/мин для (111) грани. Установлено, что отжиг в течение 3 мин при 600°С повышает стойкость оксида кремния к действию раствора щелочи, при этом скорость его травления уменьшается с 10 до 4,4 нм/мин. Апробация разработки проведена на примере реализации двухбалочной конструкции нейрозонда на пластине кремния (100) толщиной 420 мкм. Изготовлена серия структур нейрозон-дов со следующими размерами балок: толщина от 30 до 50 мкм, ширина (по средней линии) от 60 до 70 мкм. Анизотропный характер процесса травления кремния определил трапециевидную форму поперечного сечения балок. Электрический интерфейс зонда представлен 10 электродами.
Полученные результаты могут быть использованы при разработке и изготовлении многобалочных нейрозондов с различным количеством электродов.
Результаты получены при финансовой поддержке Южного федерального университета (проект № ВнГр-07/2017-02) с использованием оборудования научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Южного федерального университета.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Seymour J.P., Wu F., Wise K.D., Yoon E. State-of-the-art MEMS and microsystem tools for brain research // Microsystems & Nanoengineering. - 2017. - Vol. 3. - P. 16066.
2. HajjHassan M., Chodavarapu V., Musallam S. NeuroMEMS: Neural Probes Microtechnologies // Sensors. - 2008. - Vol. 8, No. 10. - P. 6704-6762.
3. Govindarajan A.V., Je M., Park W.-T., Achyuta A.K.H. MEMS as implantable neuroprobes // in MEMS for Biomedical Applications. - Woodhead Publishing Limited, 2012. - P. 361-395.
4. Ruther P., Herwik S., Kisban S., Seidl K., Paul O. Recent progress in neural probes using silicon MEMS technology // IEEJ Transactions on electrical and electronic engineering. - 2010.
- Vol. 5. - P. 505-515.
5. HerwikS., Kisban S., Aarts A.A.A., SeidlK., Girardeau G., Benchenane K., Zugaro M.B., Wiener S.I., Paul O., Neves H.P. Fabrication technology for silicon-based microprobe arrays used in acute and sub-chronic neural recording // Journal of Micromechanics and Microengineering.
- 2009. - Vol. 19, No. 7. - P. 074008.
6. ArcherM.J., Ligler F.S. Fabrication and characterization of silicon micro-funnels and tapered micro-channels for stochastic sensing applications // Sensors. - 2008. -Vol. 8. - P. 3848-3872.
7. Gao K., Li S., Zhuang L., Qin Z., Zhang B., Huang L., Wang P. In vivo bioelectronic nose using transgenic mice for specific odor detection // Biosensors and Bioelectronics. - 2018. - Vol. 102.
- P. 150-156.
8. Norlin P., Kindlundh M., Mouroux A., Yoshida K., Hofmann U.G. A 32-site neural recording probe fabricated by DRIE of SOI substrates // Journal of Micromechanical and Microengineering. - 2002. - Vol. 12. - P. 414-419.
9. Raducanu B.C., Yazicioglu R.F., Lopez C.M. [et al.]. Time Multiplexed Active Neural Probe with 1356 Parallel Recording Sites // Sensors. - 2017. - Vol. 17, No. 10. - P. 2388.
10. Соколов Л.В., Жуков А.А., Парфенов Н.М., Ануров А.Е. Анализ современных технологий объемного микропрофилирования кремния для производства чувствительных элементов датчиков и МЭМС // Нано- и микросистемная техника. - 2014. - № 10. - С. 27-35.
11. Нанотехнологии в микроэлектронике / под ред. О.А. Агеева, Б.Г. Коноплева. - М.: Наука, 2019. - 511 с.
12. Алексеев А.Н., Соколов И.А., Агеев О.А., Коноплев Б.Г. Комплексный подход к технологическому оснащению центра прикладных разработок. Опыт реализации в НОЦ «Нанотехнологии» ЮФУ // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2011. - № 4 (117). - С. 207-210.
13. Алексеев А., Агеев О., Гусев Е., Коноплев Б., Лысенко И., Петров С. Тандем ЗАО «НТО» и НОЦ «Нанотехнологии» ЮФУ - пример успешного взаимодействия производства и науки // Электроника: наука, технологии, бизнес. - 2016. - № 7 (157). - С. 78-83.
14. Малохатко С.В., Гусев Е.Ю., Агеев О.А. Разработка стреловидного кантилевера для многочастотной атомно-силовой микроскопии // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2019. - № 3 (205). - С. 171-178.
15. Гусев Е.Ю. Разработка технологии изготовления микромеханических акселерометра на основе поликристаллического кремния методами поверхностной микрообработки // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2016. - № 10 (183). - С. 52-64.
16. Kirt R.W., Muller R.S. Etch rates for micromachining processing // Journal of microelectromechanical systems. - 1996. - Vol. 5, No. 4. - P. 256-269.
17. Gusev E.Yu., Jityaeva J.Y., Avdeev S.P., Ageev O.A. Effect of substrate temperature on the properties of plasma deposited silicon oxide thin films // Journal of Physics: Conference Series. - 2018. - Vol. 1124, No. 2. - P. 022034.
18. Гусев Е.Ю., Житяева Ю.Ю., Коломийцев А.С., Гамалеев В.А., Коц И.Н., Быков А.В. Исследование режимов жидкостного травления жертвенного слоя SiO2 для формирования микромеханических структур на основе Si*/SiOySi // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2015. - № 2 (163). - С. 236-245.
19. Коноплев Б.Г., Агеев О.А, Смирнов В.А., Коломийцев А.С., Сербу Н.И. Модификация зондов для сканирующей зондовой микроскопии методом фокусированных ионных пучков // Микроэлектроника. - 2012. - Т. 41, № 1. - С. 47-56.
20. Ageev O.A., Gusev E.Yu., Kolomiytsev A.S., Lisitsyn S.A., Bykov A.V. Fabrication of tunnelling gap of nanomechanical accelerometer by focused ion beam // Journal of Physics: Conference Series. - 2016. - Vol. 741, No. 1. - P. 012177.
21. Коц И.Н., Коломийцев А.С., Лисицын С.А., Поляков В.В., Климин В.С., Агеев О.А. Исследование режимов профилирования поверхности кремния методом фокусированных ионных пучков // Микроэлектроника. - 2019. - Т. 48, № 2. - С. 97-105.
REFERENCES
1. Seymour J.P., Wu F., Wise K.D., Yoon E. State-of-the-art MEMS and microsystem tools for brain research, Microsystems & Nanoengineering, 2017, Vol. 3, pp. 16066.
2. HajjHassan M., Chodavarapu V., Musallam S. NeuroMEMS: Neural Probes Microtechnologies, Sensors, 2008. - Vol. 8, No. 10, pp. 6704-6762.
3. Govindarajan A. V., Je M., Park W.-T., Achyuta A.K.H. MEMS as implantable neuroprobes, in MEMS for Biomedical Applications. Woodhead Publishing Limited, 2012, pp. 361-395.
4. Ruther P., Herwik S., Kisban S., Seidl K., Paul O. Recent progress in neural probes using silicon MEMS technology, IEEJ Transactions on electrical and electronic engineering, 2010, Vol. 5, pp. 505-515.
5. HerwikS., Kisban S., Aarts A.A.A., SeidlK., Girardeau G., Benchenane K., Zugaro M.B., Wiener S.I., Paul O., Neves H.P. Fabrication technology for silicon-based microprobe arrays used in acute and sub-chronic neural recording, Journal of Micromechanics and Microengineering, 2009, Vol. 19, No. 7, pp. 074008.
6. ArcherM.J., Ligler F.S. Fabrication and characterization of silicon micro-funnels and tapered micro-channels for stochastic sensing applications, Sensors, 2008, Vol. 8, pp. 3848-3872.
7. Gao K., Li S., Zhuang L., Qin Z., Zhang B., Huang L., Wang P. In vivo bioelectronic nose using transgenic mice for specific odor detection, Biosensors and Bioelectronics, 2018, Vol. 102, pp. 150-156.
8. Norlin P., Kindlundh M., Mouroux A., Yoshida K., Hofmann U.G. A 32-site neural recording probe fabricated by DRIE of SOI substrates, Journal of Micromechanical and Microengineering, 2002, Vol. 12, pp. 414-419.
9. Raducanu B.C., Yazicioglu R.F., Lopez C.M. [et al.]. Time Multiplexed Active Neural Probe with 1356 Parallel Recording Sites, Sensors, 2017, Vol. 17, No. 10, pp. 2388.
10. Sokolov L.V., Zhukov A.A., Parfenov N.M., Anurov A.E. Analiz sovremennykh tekhnologiy ob"emnogo mikroprofilirovaniya kremniya dlya proizvodstva chuvstvitel'nykh elementov datchikov i MEMS [Analysis of modern technologies for volumetric micro-profiling of silicon for the production of sensitive elements of sensors and MEMS], Nano- i mikrosistemnaya tekhnika [Nano-and Microsystem technology], 2014, No. 10, pp. 27-35.
11. Nanotekhnologii v mikroelektronike [Nanotechnology in microelectronics], ed. by O.A. Ageeva, B.G. Konopleva. Moscow: Nauka, 2019, 511 p.
12. Alekseev A.N., Sokolov I.A., Ageev O.A., Konoplev B.G. Kompleksnyy podkhod k tekhnologicheskomu osnashcheniyu tsentra prikladnykh razrabotok. Opyt realizatsii v NOTS «Nano-tekhnologii» YuFU [An integrated approach to the technological equipment of the center for applied research. Experience of implementation at REC "Nanotechnology" of Southern Federal University], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2011, No. 4 (117), pp. 207-210.
13. Alekseev A., Ageev O., Gusev E., Konoplev B., Lysenko I., Petrov S. Tandem ZAO «NTO» i NOTS «Nanotekhnologii» YuFU - primer uspeshnogo vzaimodeystviya proizvodstva i nauki [Tandem of JSC "NTO"and REC "Nanotechnologies" of the southern Federal University-an example of successful interaction of production and science], Elektronika: nauka, tekhnologii, biznes [Electronics: science, technology, business], 2016, No. 7 (157), pp. 78-83.
14. Malokhatko S.V., Gusev E.Yu., Ageev O.A. Razrabotka strelovidnogo kantilevera dlya mnogochastotnoy atomno-silovoy mikroskopii [The development of the arrow-shaped cantilever for multi-frequency atomic force microscopy], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2019, No. 3 (205), pp. 171-178.
15. Gusev E.Yu. Razrabotka tekhnologii izgotovleniya mikromekhanicheskikh akselerometra na osnove polikristallicheskogo kremniya metodami poverkhnostnoy mikroobrabotki [Development of technology for the manufacture of micromechanical acceleration sensors based on polycrystalline silicon by surface micromachining], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2016, No. 10 (183), pp. 52-64.
16. Kirt R.W., Muller R.S. Etch rates for micromachining processing, Journal of microelectromechanical systems, 1996, Vol. 5, No. 4, pp. 256-269.
17. Gusev E.Yu., Jityaeva J.Y., Avdeev S.P., Ageev O.A. Effect of substrate temperature on the properties of plasma deposited silicon oxide thin films, Journal of Physics: Conference Series, 2018, Vol. 1124, No. 2, pp. 022034.
18. Gusev E.Yu., ZHityaeva Yu.Yu., Kolomiytsev A.S., Gamaleev V.A., Kots I.N., Bykov A.V. Issledovanie rezhimov zhidkostnogo travleniya zhertvennogo sloya SiO2 dlya formirovaniya mikromekhanicheskikh struktur na osnove Si*/SiO2/Si [Investigation of the modes of liquid etching of the SiO2 sacrificial layer for the formation of micromechanical structures based on Si* / SiO2/Si /], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2015, No. 2 (163), pp. 236-245.
19. Konoplev B.G., Ageev O.A, Smirnov V.A., Kolomiytsev A.S., Serbu N.I. Modifikatsiya zondov dlya skaniruyushchey zondovoy mikroskopii metodom fokusirovannykh ionnykh puchkov [Modification of probes for scanning probe microscopy using focused ion beams], Mikroelektronika [Microelectronics], 2012, Vol. 41, No. 1, pp. 47-56.
20. Ageev O.A., Gusev E.Yu., Kolomiytsev A.S., Lisitsyn S.A., Bykov A.V. Fabrication of tunnelling gap of nanomechanical accelerometer by focused ion beam, Journal of Physics: Conference Series, 2016, Vol. 741, No. 1, pp. 012177.
21. Kots I.N., Kolomiytsev A.S., Lisitsyn S.A., Polyakov V.V., Klimin V.S., Ageev O.A. Issledovanie rezhimov profilirovaniya poverkhnosti kremniya metodom fokusirovannykh ionnykh puchkov [Investigation of silicon surface profiling modes using focused ion beams], Mikroelektronika [Microelectronics], 2019, Vol. 48, No. 2, pp. 97-105.
Статью рекомендовал к опубликованию д.ф.-м.н., профессор А.А. Лаврентьев.
Гусев Евгений Юрьевич - Южный федеральный университет; e-mail: eyugusev@sfedu.ru; 347928, г. Таганрог, ул. Шевченко, 2, корп. Е; тел.: +78634371611; кафедра нанотехнологий и микросистемной техники; к.т.н.; доцент.
Житяева Юлия Юрьевна - e-mail: julia.jityaeva@gmail.com; научно-образовательный центр «Нанотехнологии»; м.н.с.
Gusev Evgeny Yurievich - Southern Federal University; e-mail: eyugusev@sfedu.ru; 2, Shevchenko street, build. E, Taganrog, 347928, Russia; phone: +78643371611; the department of nanotechnology and microsystem technics; cand. of eng. sc.; associate professor.
Jityaeva Juliya Yurievna - e-mail: zhityaeva@sfedu.ru; Research and Education Centre «Nano-technologies»; junior researcher.
УДК 621.396.1 DOI 10.23683/2311-3103-2019-6-70-85
И.В. Малышев, Е.Н. Осадчий
ПРИМЕНЕНИЕ СИЛЬНЫХ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТНЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НОВЫХ ОБЪЁМНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЗЛОВ
На основе анализа основных дисперснозависимых механизмов, описывающих поведение эффективной массы носителей заряда в условиях воздействия сильных электрических полей (ЭП) в объёме полупроводников типа AnlBv, обоснованно получено обобщённое соотношение для зависимости этой эффективной массы от энергии. Дальнейшее применение этого соотношения в феноменологической теории для дрейфово-диффузионной модели включающей уравнения разогрева и дрейфа, а также при ортогональном по отношению к направлению дрейфа воздействии сильного магнитного поля, позволил представить все соотношения в компонентной форме для продольной и поперечной координат. Такое представление позволило выявить ряд новых эффектов, среди которых наиболее значимыми являются следующие: для работы в требуемом диапазоне частот обнаружена оценочная возможность определения значения напряжённости электрического поля из рассчитанных АЧХ и ФЧХ выходной проводимости конкретной объёмной структуры полупроводника, работающем в заданном режиме; обнаружено, что с ростом величины индукции внешнего магнитного поля (МП) растёт и величина дрейфовой скорости вдоль направления переноса носителей (продольном), а при дальнейшем увеличении индукции МП, на поперечной дрейфовой индукционной характеристике наблюдаются падающие участки, что даёт основание для возможности применения данного эффекта в разработках нелинейных активных индукционных элементов; выявлено, что постоянный и переменный коэффициенты диффузии являются амплитудозависимыми, а это можно определить как открытие нового «объемного диффузионного детекторного эффекта в полупроводниках». Определено, что продольные (вдоль направления дрейфа в ЭП) компоненты дрейфовой скорости и коэффициента диффузии зависят только от величины напряженности продольного ЭП, и не зависит от индукции поперечного МП. Кроме того, при сильных значениях индукции этого МП (В>4 Тл) обнаружено смещение начала падающего участка на дрейфовой (вольтамперной) характеристике поперечной компоненты дрейфовой скорости в сторону уменьшения примерно в 2 раза, что можно определить как новый эффект - эффект Ганна, управляемый магнитным полем. Это позволит увеличить объёмный КПД диода на 50% (при уменьшении значения напряжённости порогового поля эффекта Ганна с 4 до 2 КВ/см). Доказана принципиальная возможность для создания частотных двухмерных преобразовательных устройств (смесителей автодинного типа), а также детекторов чувствительных к магнитному полю.
Эффективная масса носителей заряда; дрейфовая скорость и коэффициент диффузии; выходные проводимость и плотность тока; напряжённость электрического поля; магнитная индукция.
