Микроструктурные элементы для селекции электромагнитного излучения и способ их изготовления

Авторы патента:

Гольденберг Борис Григорьевич (RU)

Генцелев Александр Николаевич (RU)

Кузнецов Сергей Александрович (RU)

H01L21/308 - с использованием масок (H01L 21/3063,H01L 21/3065 имеют преимущество)

Владельцы патента RU 2548945:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) (RU)

Использование: для селекции электромагнитного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что микроструктурный элемент выполнен в виде перфорированной сеточной структуры, объем которой в основном выполнен из полимерной пленки и вся ее поверхность, включая внутренние полости, металлизирована. Технический результат: обеспечение возможности формирования перфорированных пленок в диапазоне толщин от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к конструкции и способу изготовления микроструктурных элементов для селекции электромагнитного излучения, выполненных в виде сеточных (как регулярных, так и нерегулярных) структур (в том числе с пространственно-профилированной поверхностью), таких как, например, резонансно-полосовые фильтры, преобразователи фазы и поляризации, дифракционные фокусаторы излучения и т.п., предназначенные для осуществления пространственной, частотной, фазовой и поляризационной селекции электромагнитного излучения, топология которых подбирается таким образом, чтобы обеспечить заданные электродинамические характеристики структуры.

В качестве аналога выбраны конструкция и способ [описанные в работе Reinhard Ulrich - Interference Filters for the Far Infrared // Applied Optics, October 1968, Vol.7, №10, pp.1987-1996], где конструкция металлической сеточной структуры (МСС) представляет собой тонкопленочную медную структуру толщиной ~ 1 мкм, сформированную с использованием фотолитографии на поверхности поддерживающей политилен-терефталатной пленки толщиной ~ 2,5 мкм (см. Фиг.1).

Устройство, выбранное в качестве аналога, имеет следующий главный недостаток, обусловленный «присутствием» в сформированных в металлическом слое отверстиях поддерживающей полимерной пленки, выражающийся как в паразитных диссипативных потерях энергии селектируемого электромагнитного излучения в материале полимерной пленки, так, в общем случае, и в искажении селективных свойств сеточной структуры.

В качестве прототипа выбраны конструкция (см. Фиг.2а) и способ [описанные в работе Кузнецов С.А., Гольденберг Б.Г., Калинин П.В. и др. Разработка медных сеточных структур для частотной и пространственной селекции ТГц-излучения новосибирского лазера на свободных электронах // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2009, №9, с.38-49], где конструкция МСС представляет собой свободновисящую медную пленочную структуру толщиной ~ 80 мкм (сформированную с использованием глубокой рентгенолитографии на поверхности проводящей стеклоуглеродной подложки с использованием разделительного слоя из рения толщиной ~ 1 мкм, см. Фиг.2б).

Способ изготовления МСС-прототипа содержит следующие этапы:

• подготавливают поверхность исходной электропроводящей подложки - стеклоуглеродной пластинки (планаризация и снижение шероховатости ее рабочей поверхности);

• формируют на ее рабочей поверхности резистивную маску (с применением синхротронной рентгенолитографии);

• проводят электрохимическое осаждение на рабочую поверхность подложки через резистивную маску металлического разделительного (рениевого) слоя толщиной ~ 1 мкм;

• проводят электрохимическое осаждение на рабочую поверхность подложки через резистивную маску металлической (медной) пленки толщиной ~ 10÷400 мкм;

• удаляют резистивную маску (удаление с рабочей поверхности остатков резиста, контроль геометрических размеров и качества осажденной сетки);

• отслаивают металлическую сеточную структуру от исходной подложки;

• фиксируют металлическую сеточную структуру на несущей рамке.

Недостатком прототипа является сложная технология его изготовления и обусловленные технологией трудности, возникающие при изготовлении тонких (толщиной ≤ 10 мкм) металлических сеточных структур, в частности, при проведении операции отслоения от исходной подложки пленочной сеточной структуры, что чревато ее повреждениями, особенно в случае формирования тонких (толщиной ≤ 10 мкм) металлических пленок. Также возникает ряд проблем и при изготовлении способом-прототипом очень толстых (толщиной ≤ 400 мкм) сеточных структур, поскольку типичная скорость гальванического роста металлических пленок ~ 10 мкм/час, то их выращивание будет длиться около недели (и, в общем случае, требует организации непрерывного процесса с автоматическим слежением и поддержанием требуемых параметров электролита, таких как температура, концентрация, уровень кислотности и др.). Поскольку физические параметры рассматриваемых микроструктурных элементов зависят не только от топологии металлической сеточной структуры в ее рабочей плоскости, но и от толщины данной структуры, то существует необходимость изготовления пленочных структур, толщины которых находятся за рамками ранее указанного диапазона, что обеспечит расширение номенклатурного ряда подобных устройств с новыми характеристиками.

Предлагаемая конструкция перфорированной металлизированной сеточной структуры (далее по тексту именуемой, как псевдометаллическая сеточная структура (ПМСС)), представляющая собой перфорированную полимерную металлизированную химическим способом пленку, и способ ее изготовления свободны от недостатков, свойственных прототипу.

С целью снижения себестоимости микроструктурных элементов для селекции электромагнитного излучения, выполненных в виде сеточных структур и расширения их номенклатурного ряда, что достигается путем перехода на более простую технологию их изготовления, позволяющую формировать перфорированные (со сквозными отверстиями) металлизированные пленки (см. Фиг.3) в диапазоне толщин от нескольких микрометров до нескольких миллиметров (в том числе с пространственно-профилированной поверхностью), предлагается использовать способ, содержащий следующие технологические операции:

1. подготавливают (очищают) поверхности рентгеночувствительной полимерной пленки и придают ей определенную заданную форму;

2. создают в пленке при помощи рентгенолитографии скрытое изображение (проводят единичное (или многократное) экспонирование пленки рентгеновским излучением через рентгеношаблон);

3. проявляют проэкспонированную пленку (в результате формируются профиль поверхности и сквозные отверстия);

4. проводят осаждение металла на перфорированную полимерную пленку (металлизируют ее поверхность, например, химическим способом);

5. фиксируют полученную метализированную пленку на опорной рамке (кольце).

В отдельных случаях фиксация пленки на опорную рамку может проводиться в самом начале и совмещаться с операцией 1, это не имеет принципиального значения.

На фиг.1 схематично изображена конструкция выбранного в качестве аналога микроструктурного элемента для селекции электромагнитного излучения, где на поверхности полимерной пленки 1 сформирован перфорированный тонкий слой металла 2, а сама пленка зафиксирована на опорной рамке 3.

На фиг.2а схематично изображена одна из финальных стадий изготовления выбранного в качестве прототипа микроструктурного элемента, выполненного в виде сеточной структуры, где на поверхности стеклоуглеродной подложки 4 сформирована резистивная маска 5, через которую последовательно гальванически осаждены слои: тонкий разделительный рениевый слой 6 и медная пленка 2.

На фиг.2б схематично изображена конструкция выбранного в качестве прототипа микроструктурного элемента, где «отслоенная» перфорированная медная пленка 2 зафиксирована на опорной рамке 3.

На фиг.3 схематично приведена предлагаемая конструкция микроструктурного элемента в виде псевдометаллической сеточной нерегулярной структуры (ПМСС), где перфорированная полимерная пленка 1, покрытая тонким слоем металла 2, крепится на опорной рамке 3.

Пример конкретного исполнения. Для реализации предлагаемой конструкции микроструктурного элемента в виде ПМСС была взята лавсановая пленка толщиной 10 мкм и 100 мкм. Из нее были вырезаны круги диаметром ~ 60 мм, которые были проэкспонированы на ЛИГА-станции [описанной в работе Генцелев А.Н., Гольденберг Б.Г., Кондратьев В.И. и др. LIGA-станция на накопителе ВЭПП-3 // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2002, №9. С.30-35] через рентгеношаблон. Типичные величины экспозиционных доз при этом составляли ~ 200÷400 кДж/см³, затем пленки проявлялись в 9% водном растворе NaOH (при Т≈45°C) ~ 1 часа. На следующем этапе производилось химическое серебрение их поверхности (толщина осадка серебра ~ 1 мкм). После чего пленки фиксировались на опорной рамке (опорном кольце) и на обе поверхности пленок напылялся (для предотвращения корродирования серебра) тонкий (толщиной ~ 0,1 мкм) слой алюминия. Кроме того, по данной технологии также были изготовлены фильтры для терагерцового излучения из листового органического стекла толщиной 1 мм.

Важным моментом является то обстоятельство, что химический способ осаждения металла обеспечивает металлизацию внутренних полостей отверстий, в результате чего вся поверхность полимерной подложки покрывается сплошной (электрически неразрывный) металлической пленкой, выполняющей роль скин-слоя при взаимодействии с излучением.

Амплитудно-частотные характеристики терагерцовых фильтров, реализованных в виде ПМСС, соответствуют расчетам и являются приблизительно такими же, как и для металлических сеточных структур с аналогичной конфигурацией отверстий (поскольку за взаимодействие с электромагнитным излучением «отвечает» приповерхностный скин-слой), при этом технология изготовления ПМСС намного проще, чем ранее описанная технология получения МСС.

Кроме того, как правило, металлизированная поверхность ПМСС характеризуется меньшей шероховатостью (которая в отдельных случаях влияет на селективные свойства микроструктурного элемента), по сравнению с полученными гальванопластикой толстыми образцами МСС (поскольку гальваническое выращивание толстых металлических пленок с гладкой поверхностью представляет собой отдельную техническую проблему).

Изготовление микроструктурных элементов в виде сеточных (как регулярных, так и нерегулярных) структур с пространственно-профилированной поверхностью (в общем случае, придающей элементам новые функциональные свойства) предполагает создание плавного или ступенчатого распределения величины экспозиционной дозы по поверхности облучаемой полимерной пленки (либо листа), что затем выразится в различии скоростей травления разных участков поверхности в проявителе. Достичь этого можно разными способами:

• проводя динамическую рентгенолитографию (при которой во время экспозиции осуществляется по определенному закону взаимное относительное движение обрабатываемой пленки (или листа) и рентгеношаблона),

• применяя рентгеношаблон с разнотолщинным маскирующим слоем (т.е. его толщина является функцией от местоположения (от координаты) на рабочей поверхности шаблона),

• проводя многократное экспонирование пленки (или листа), используя комплект из нескольких рентгеношаблонов и процедуру привязки (совмещения) их топологии с формируемым в полимере скрытым изображением;

• комбинируя вышеперечисленные способы.

1. Микроструктурный элемент для селекции электромагнитного излучения, выполненный в виде перфорированной сеточной структуры с высокоэлектропроводящей внешней поверхностью, отличающийся тем, что основной объем структуры выполнен из полимерной пленки (или полимерного листа) и вся ее поверхность, включая внутренние полости, металлизирована (выполнена из металла с высокой электропроводностью).

2. Микроструктурный элемент для селекции электромагнитного излучения по п.1, отличающийся тем, что его рабочая поверхность выполнена пространственно-профилированной.

3. Способ изготовления микроструктурного элемента для селекции электромагнитного излучения, выполненного в виде перфорированной сеточной структуры, включающий в себя процессы рентгеновского экспонирования углеводородных полимеров через рентгеношаблон и формирования высокоэлектропроводящих слоев, отличающийся тем, что сеточную структуру изготавливают из пленки (или листа) рентгеночувствительного углеводородного полимера путем проявления сформированного в нем при помощи рентгеновской литографии скрытого изображения, а затем всю поверхность полученной структуры металлизируют.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что поверхность перфорированной сеточной структуры металлизируют химическим способом.

5. Способ по пп.3 и 4, отличающийся тем, что металлическую поверхность перфорированной сеточной структуры, в случае необходимости ее защиты от коррозии, покрывают, путем напыления, тонкой пленкой из более коррозионностойкого материала (предпочтительнее из металла или сплава с высокой электропроводностью).

Изобретение относится к изготовлению конструктивных элементов микромеханических приборов на кремниевых монокристаллических подложках. Изобретение обеспечивает снижение трудоемкости изготовления и повышение качества структур.

Способ формирования монокристаллических нанопроводников в матрице из собственного оксида // 2503084

Изобретение относится к технологии создания сложных проводящих структур и может быть использовано в нанотехнологии, микроэлектронике для создания сверхминиатюрных приборов, интегральных схем и запоминающих устройств.

Способ формирования рельефа из электронного или фотонного материала // 2495515

Изобретение относится к способу формирования рельефа из электронных и фотонных материалов и структурам и устройствам, изготовленным с использованием этого способа.

Жидкая композиция, способ получения кремниевой подложки и способ получения подложки для головки для выброса жидкости // 2468467

Изобретение относится к жидкой композиции, способу получения кремниевой подложки и к способу получения подложки для головки для выброса жидкости. .

Способ изготовления чувствительного элемента датчика давления жидких и газообразных сред // 2465681

Изобретение относится к технологии изготовления упругих элементов микроэлектромеханических измерительных систем. .

Способ обработки подложек и подложка, обработанная этим способом // 2459312

Изобретение относится к обработке подложек для получения вогнуто-выпуклой структуры. .

Способ изготовления чувствительных элементов микромеханических систем // 2439741

Изобретение относится к технологии изготовления чувствительных элементов микроэлектромеханических систем. .

Способ изготовления глубокопрофилированных кремниевых структур // 2437181

Изобретение относится к приборостроению и может применяться при изготовлении полупроводниковых микромеханических устройств, например чувствительных элементов интегральных датчиков.

Способ изготовления наноразмерных проволочных кремниевых структур // 2435730

Изобретение относится к технологии изготовления кремниевых микро- и наноэлектронных устройств. .

Способ получения нанослоев // 2425794

Изобретение относится к технологии формирования наноэлектронных структур. .

Способ микропрофилирования кремниевых структур // 2559336

Изобретение относится к приборостроению и может применяться для изготовления конструктивных элементов микромеханических приборов на кремниевых монокристаллических подложках, а именно упругих подвесов и всего чувствительного элемента в целом, например для микромеханических акселерометров и гироскопов. Изобретение обеспечивает снижение трудоемкости изготовления и повышение качества структур. Способ микропрофилирования кремниевых структур включает нанесение защитной пленки на пластину из монокристаллического кремния, формирование из защитной пленки локальной маски в области формирования микропрофиля, анизотропное травление пластины монокристаллического кремния, нанесение защитной пленки, нанесение слоя поликристаллического кремния, анизотропное травление поликристаллического кремния, окисление поликристаллического кремния, травление диоксида кремния со вновь наносимой защитной пленки, травление защитной пленки до поверхности пластины и анизотропное травление в образовавшемся окне пластины монокристаллического кремния. Повторяют поочередно эти процессы необходимое количество раз до получения требуемого микропрофиля с последующим сглаживанием в изотропном или анизотропном травителе или анизотропном и изотропном травителях полученной поверхности. 2 ил.

Способ изготовления подложки с маской для травления и способ изготовления продукта с рисунком. // 2562923

Изобретение относится к подложке с маской для травления, которая нанесена при помощи алмазоподобного углерода, и способу изготовления указанной подложки. Способ изготовления подложки с маской для травления включает подготовку подложки, нанесение фоточувствительного материала на поверхность подложки, экспонирование и проявление фоточувствительного материала для формирования рисунка в фоторезисте, формирование покрывающей пленки из алмазоподобного углерода на поверхности подложки и поверхности рисунка в фоторезисте и отделение покрывающей пленки вместе с рисунком в фоторезисте для формирования рисунка из алмазоподобного углерода на поверхности подложки. Техническим результатом изобретения является создание подложки с маской для травления, обеспечивающей высокоточное нанесение рисунка. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ защиты углов трехмерных микромеханических структур на кремниевой пластине при глубинном анизотропном травлении // 2568977

Использование: для изготовления микроэлектромеханических структур. Сущность изобретения заключается в том, что способ защиты углов трехмерных микромеханических структур на кремниевой пластине с кристаллографической ориентацией (100) при глубинном анизотропном травлении в водном растворе гидрооксида калия КОН включает формирование масочного рисунка с элементами защиты углов, элементы защиты углов, имеющие диагональную форму на топологической маске, располагают под углом 45° к контурам жесткого центра, причем размеры изготовляемых трехмерных микромеханических структур определяются из определенных условий. Технический результат: обеспечение возможности повышения качества и увеличения процента выхода годных трехмерных микромеханических структур. 6 ил., 2 табл.

Способ изготовления глубокопрофилированных кремниевых структур // 2572288

Изобретение относится к приборостроению и может применяться при изготовлении кремниевых микромеханических датчиков, таких как датчики давления и акселерометры. Сущность изобретения: в способе изготовления глубокопрофилированных кремниевых структур на кремниевой пластине создают защитный слой, создают контрастный слой из материала, отличающегося от материала защитного слоя, формируют последовательными операциями фотолитографии и травления структуру заданного профиля до появления кремния в области максимальной глубины структуры, последующем чередованием травления кремния и оставшегося защитного слоя получают в кремнии заданный профиль. Вскрытие кремния в области максимальной глубины структуры проводят после создания защитного слоя, а затем наносят контрастный слой на защитный слой и на вскрытый участок кремния и проводят формирование структуры заданного профиля. Изобретение обеспечивает повышение точности изготовления глубокопрофилированных кремниевых структур. 10 ил.

Способ изготовления упругого элемента микромеханического устройства // 2580910

Изобретение может быть использовано для создания упругих подвесов, торсионов и других элементов (например, балок, мембран, струн) микромеханических устройств, например кремниевых гироскопов и акселерометров. Способ изготовления упругого элемента микромеханического устройства заключается в окислении плоской пластины из монокристаллического кремния с ориентацией поверхности в плоскости (100), трехкратного проведения последовательности операций, состоящей из нанесения фоторезиста, вскрытия в нем окон методом двухсторонней фотолитографии и травления окисла по вскрытым окнам. На первом этапе травление окисла проводится до кремния, на втором на глубину, равную 2/3, а на третьем на глубину, равную 1/3 от его начальной толщины. Далее проводят жидкостное травление кремния на глубину, равную 0,5 H1, и дважды повторяют последовательность операций, состоящую из травления окисла на глубину, равную 1/3 от его начальной толщины, и жидкостного травления кремния. Изобретение обеспечивает улучшение качества и воспроизводимости технологии. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

Способ изготовления микромеханических упругих элементов // 2601219

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при изготовлении кремниевых микромеханических датчиков. Сущность изобретения: в способе изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния окисляют плоскую круглую пластину с ориентацией базовой поверхности в плоскости (100), наносят на нее защитный слой фоторезиста, проводят фотолитографию, вскрывают окна в окисном слое в области формирования упругих элементов на определенную ширину с учетом анизотропии травления монокристаллического кремния, анизотропно травят на глубину для получения требуемой толщины упругих элементов. Одновременно с вышеуказанными операциями по формированию упругих элементов формируют контрольный элемент, расположенный вне зоны упругих элементов, формирование контрольного элемента проводят до самоторможения на заданную глубину, определяемую заданным математическим выражением. Изобретение обеспечивает повышение технологичности изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния путем оценки травления контрольных элементов до самоторможения. 3 ил.

Способ формирования 3d микроструктур кремния металл-стимулированным травлением // 2620987

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к технологии создания 3D микроструктур кремния, являющихся элементной базой функциональной микроэлектроники, металл-стимулированным травлением с использованием локально расположенных масок Ni. В состав раствора для травления кремния входит фтористоводородистая кислота, перекись водорода и деионизованная вода в объемном соотношении 2:1:10. Процесс травления с использованием никеля является экономически выгодным процессом, так как позволяет заменить дорогостоящие благородные металлы и удешевить технологию создания кремниевых 3D структур.

Способ получения периодических профилей на поверхности кристаллов парателлурита // 2623681

Изобретение относится к области дифракционной оптики и может быть использовано для разработки новых дифракционных оптических элементов для диапазона 0,35-5,5 мкм. В основу изобретения поставлена задача получения периодических профилей на поверхности кристаллов парателлурита методом анизотропного химического травления. Пластина, вырезанная из кристалла парателлурита и отшлифованная, покрывается смесью химически стойкого к щелочам нитроцеллюлозного лака с растворителем 646, часть смеси удаляется с помощью алмазной иглы через различные интервалы, затем проводится химическое травление, промывка, в результате получаем периодическую структуру заданной геометрии на поверхности образца. Применение данного способа позволяет получать периодические профили на кристаллах парателлурита, обладающих высокими оптическими характеристиками. 3 ил.

Способ изготовления кристаллов микроэлектромеханических систем // 2625248

Изобретение относится к области приборостроения и может применяться при изготовлении кремниевых кристаллов микроэлектромеханических систем, используемых в конструкциях микромеханических приборов, таких как акселерометры, гироскопы, датчики угловой скорости. В способе изготовления кристаллов микроэлектромеханических систем наносят защитные покрытия на лицевую и обратную стороны пластины, проводят фотолитографию по защитным слоям с лицевой и обратной сторон, травят кремний с лицевой и обратной сторон пластины на заданную глубину и с заданным профилем, наносят защитный слой с лицевой стороны пластины и профиля вытравленных канавок от растрава при последующем травлении с обратной стороны пластины, удаляют остатки маскирующих покрытий с лицевой и обратной сторон пластины. Согласно изобретению после травления кремния на заданную глубину и с заданным профилем удаляют защитный слой с лицевой стороны пластины и профиля вытравленных канавок, проводят обработку профиля в полирующем травителе и удаляют остатки маскирующих покрытий с лицевой и обратной сторон пластины. Кроме того, фотолитографию по защитным слоям на лицевой и обратной стороне проводят одновременно, в качестве защитного слоя с лицевой стороны пластины и профиля вытравленных канавок наносят медную пленку, в качестве маскирующих покрытий с лицевой и обратной стороны используют идентичные материалы, например нитрид кремния. Изобретение повышает чувствительность и прочность конструкций микроэлектромеханических систем за счет повышения технологичности изготовления и формирования кремниевых кристаллов с минимальной шероховатостью вертикального профиля канавок. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ формирования монокристаллического элемента микромеханического устройства // 2628732

Изобретение относится к области приборостроения и могжет быть использованы для изготовления монокристаллических элементов, таких как струны, упругие элементы, технологические перемычки, используемые в конструкциях микромеханических приборов, например, микромеханических акселерометров, гироскопов, резонаторов. В способе изготовления монокристаллического элемента микромеханического устройства окисляют плоскую пластину из монокристаллического кремния с ориентацией поверхности в плоскости (100), наносят на нее с двух сторон защитный слоя фоторезиста, предварительно вскрывают окна в слое фоторезиста при помощи двухсторонней фотолитографии, травят окисел по вскрытым окнам и анизотропно травят пластину до промежуточной глубины h, вскрывают окисел для формирования монокристаллического элемента, анизотропно травят кремний до получения требуемой толщины монокристаллического элемента. Согласно способа, после вскрытия окисла проводят утонение пластины наносят защитное покрытие в области формирования монокристаллического элемента, проводят анизотропное травление до получения требуемой толщины монокристаллического элемента и удаляют защитное покрытие. Изобретение обеспечивает повышение технологичности изготовления монокристаллических элементов за счет возможности формирования элементов с различным поперечным сечением. 8 ил.