Публикации: Оптика и электроника (рубрикатор)

Стремление уменьшить и улучшить существующие стандартные устройства НЭМС, например, датчики массы, индикаторы химических веществ и электромеханические переключатели, привело к развитию существующих технологий обработки материалов. В большинстве случаев технологически процессы изготовления наноустройств делятся на "нисходящие" или "восходящие" (сверху вниз и снизу вверх) [1]. Большинство процессов, которые используются для производства НЭМС, являются нисходящими. Такие процессы подразумевают создание структуры путем осаждения слоев веществ и последующего выборочного вытравливания одного или нескольких слоев для получения определенных геометрических форм, переходов или взаимосвязей или для создания навесных устройств, таких как механические резонаторы или переключатели, работа которых зависит от перемещения вне плоскости. Восходящие процессы часто основаны на использовании процессов самосборки молекул при изготовлении устройства. В качестве примеров таких устройств можно рассмотреть устройства НЭМС, которые состоят из однослойных или многослойных нанотрубок. Джанг и его соавторы продемонстрировали переключатели НЭМС с вертикально расположенными многослойными нанотрубками, изготовленными с помощью применения нисходящих и восходящих технологических процессов изготовления наноустройств, создав многослойные нанотрубкм в верхней части ниобиевых электродов, созданных с помощью электронной литографии [2].

В данной работе рассматривается новейший низкотемпературный КМОП - совместимый нисходящий процесс изготовления наноустройств [3, 4, 15]. Процесс основан на технологии микромеханической обработки с выборочным травлением и позволяет создавать навесные устройства, работа которых зависит от положения вне плоскости, тем не менее, характеристики этих устройств были значительно улучшены путем укрепления электродов, предназначенных для включения устройств, в термическом оксидном слое подложки [14]. В данном процессе в качестве конструкционного материала используются тонкопленочные осажденные слои вольфрама, а в качестве подслоя при осаждении вольфрама используется оксид алюминия. Ранее технология осаждения Al2O3 использовалась при изготовлении устройств НЭМС, в которых этот слой использовался в качестве защитного износостойкого покрытия [5. 6] и в качестве конструкционного материала [7-9].

До настоящего времени большинство НЭМС были основаны нанотрубках [10]. Были изготовлены и продемонстрированы различные виды электромеханических переключателей, начиная от горизонтальных консолей [11] и устройств с двумя переключателями [12-14], закрепленных на включающих электродах, до вертикально-собранных нанотрубок, которые, благодаря своей конструкции, выполняют функции включающих электродов [2]. Для изготовления устройств, рассмотренных в [2], используются нисходящие и восходящие процессы, в которых для создания ГНТ требуется высокотемпературноеметод осаждения из паровой фазы (при температуре 600–850 °C) [2, 12, 13].

В [15] продемонстрирован новый надежный способ изготовления переключателей НЭМС из новых перспективных материалов, слои вольфрама впервые использовались в таких устройствах в качестве конструкционного материала, а также для описание начальных характеристик этих устройств в качестве двухконтактных переключателей и туннельных приборов НЭМС.

Использование слоев вольфрама в качестве конструкционного материала в устройствах НЭМС имеет ряд преимуществ. Так как данный материал наносится путем поатомного осаждения, слой обладает однородными характеристиками, а его толщина может прецизионно контролироваться [3]. Благодаря особенностям осаждения атомных слоев, в дальнейшем ожидается более простое и более легкое использование данного материала в устройства НЭМС следующего поколения, для которых потребуется уменьшение размеров устройств. Благодаря низкой температуре осаждения (90–120 °C), осаждение слоев вольфрама можно использовать совместно с технологией КМОП, что позволяет создавать комплементарные нано-электромеханические переключатели (КНЭП).

При развитии предыдущего поколения двухконтактных устройств с номинальной высотой зазора в 50 нм были выявлены некоторые ограничения. Было обнаружено, что процесс литографии, который используется для создания электродов истока / стока, ограничен высотой зазора. Это было обнаружено при попытке создания устройств с номинальной высотой зазора 30 нм. Было отмечено проникновение острых элементов временного слоя включающего электрода в осажденный атомный слой вольфрама, следовательно, в действующей структуре создались области с высоким напряжением. Наиболее простым решением, которое позволяет сохранить размеры производимых устройств, является уменьшение высоты зазора, однако, данный способ невозможно использовать из-за ограниченной высоты зазора в литографии.

Разработка и изготовление

Устройства НЭМС, изготовленные по технологии [15], показали характеристики переключения сопоставимые с характеристиками существующих НЭМС с нанотрубками и графеновыми переключателями, например, напряжение срабатывания <5B [12–14,16,17]. Характеристики изготовленных устройств показали, что ими можно управлять так же как обычными туннельными НЭМС, в которых можно измерить экспоненциальное увеличение тока перед включением устройств. Измеренная высота потенциального барьера при использовании этих устройств в качестве туннельных приборов на низком напряжении составляет ∼0,0036 эВ. Измеренный срок службы устройства составляет более 660 500 циклов при работе в туннельном режиме на низком токе, однако средний срок службы составляет около 300 циклов в режиме максимального воздействия. Короткий срок службы устройства в режиме максимального воздействия возникает из-за механического износа осажденного атомного слоя вольфрама, в результате чего в областях с высоким напряжением возникают повреждения, см. Рис. 1.

Рис.1 Механическое повреждение устройства, расположенного над краем электрода. Область высокого напряжения. Размеры устройства: 2000 нм*700 нм*32 нм, глубина ~ 50 нм.

С помощью программы ANSYS [18] создана модель двухконтактного устройства с ОАСВ, данная модель позволяет изучить напряжение, возникающее в точке начального контакта или после сквозного контакта, см. Рис. 2. Были созданы две различных модели с конечным числом элементов. Первая модель приближала устройство к начальной точке контакта, вторая модель приближала устройство к полному включению. Предполагалось, что после сквозного контакта область контакта занимает всю площадь поверхности воздействующего электрода. Были изучены простые и статические граничные условия.

Рис.2 (a) площадь начального контакта устройства с ОАСВ 2000нм*700нм*30нм, высота зазора около 50 нм, масштаб х5;
(b) площадь после сквозного контакта устройства с ОАСВ 2000нм*700нм*30нм, масштаб х5;

Таблица 1 - Модели с конечным числом элементов для анализа напряжения различных геометрических форм устройств с ОАСВ, теоретическое и экспериментальное напряжение включения (если есть)

Установлено, что в точке начального контакта максимальное напряжение Фон Мизеса в устройствах составляет 2791 МПа, а после образования сквозного контакта напряжение Фон Мизеса увеличивается до 8390 МПа, то есть, увеличивается практически в 3 раза. Следовательно, предположив, что выходное напряжение ОАСВ такое же, как у большого слоя вольфрама, 760 МПа, Анализ модели с конечным числом элементов показал, что изготовленные устройства подвергаются постоянной деформации во время работы – даже до того, как между устройствами и электродом образовался начальный контакт.

С помощью анализа модели с конечным количеством элементов были рассмотрены несколько разных геометрических форм, основанных на изменении длины устройства и зазора между устройством и электродом. Результаты анализа модели с конечным числом элементов были занесены в Таблицу 1 (кроме того, в Таблице 1 приведены данные о предполагаемом расчетном напряжении включения для каждой конструкции).

Итерация конструкции устройства с длиной до 4 мкм и с зазором 50 нм показывает важность точного моделирования начального контакта и сквозного контакта с помощью моделей с ограниченным количеством элементов, которые позволяют упростить проектирование. На Рис. 3а показано устройство в точке начального контакта с включающим электродом, максимальное напряжение Фон Мизеса составляет 709 МПа, которое меньше, чем критерий разрушения для толстого слоя вольфрама, который составляет 760 МПа, но на Рис. 3 b показано, что максимальное напряжение Фон Мизеса для сквозного перехода увеличилось до 1118 МПа, что означает разрушение пластмассы.

Рис.3 (a) начальный контакт устройства с ОАСВ с размерами 4000нм*500нм*30нм, высота зазора - 50 нм, масштаб х5
(b) площадь после сквозного контакта устройства с ОАСВ с размерами 4000нм*500нм*30нм, масштаб х5

На этом примере видно, что, несмотря на то, что модель устройства способна выгибаться на 50 нм для образования контакта с электродом, она не способна выдержать увеличенное напряжение, которое возникает после образования сквозного контакта. На рисунке 2а и 3а видно, что при образовании нормального начального контакта максимальное напряжение Фон Мизеса в устройстве наблюдается в местах крепления. В момент, когда в устройстве образуется полный контакт с включающим электродом, область гистерезиса смещается к краю включающего электрода, где происходит точечное изменение геометрической формы от полностью параллельной плоскости подложки до изгибов под определенным углом по отношению к плоскости подложки. Доказано, что открытые свойства влияют на конструкцию и разработку нашего технологического процесса, рассмотренного в данной работе, так как было установлено, что в структуре по краям включающего электрода, изготовленного по технологии, описанной в [15], из-за недостатков покрытия временного и структурного слоя над включающим электродом, указанным в литографии, образуются области с высоким напряжением.

Процесс изготовления

Чтобы избежать проблем, связанных с острыми углами форм, созданных во время литографии, был разработан процесс, в котором электрод укрепляется в термическом оксидном слое с помощью ионного травления. Данный способ позволяет эффективно устранять проблемы, связанные с литографией, и позволяет создавать рабочие зазоры, высота которых ограничивается только характеристиками способа осаждения, который используется для создания временного слоя. Кроме того, данный способ позволяет получить перекрытие около 100% при контакте электрода с устройством, так как включающий электрод электрически изолирован от устройства. В ранее рассмотренных процессах электрическая изоляция электрода обеспечивалась за счет зазора между включающим электродом и никелем, который используется для крепления устройства [15]. Разработанные процессы, которые будут рассмотрены далее, позволяют создавать зазоры высотой до 30 нм, а изготовленные устройства успешно прошли испытания в качестве выключателей с контактом по все поверхности.

На Рис. 4 показан процесс изготовления канавок устройств [19]. После нанесения фоторезистивного шаблона, с помощью термического напыления осаждается слой золота (Au) толщиной 50 нм, и создаются знаки совмещения для литографии.

Рис. 4. Процесс изготовления канавок в устройствах НЭМС с ОАСВ

Для изготавления электрода на подложку наносятся два слоя полиметилметакрилата (ПММА). Толщина каждого слоя ПММА составляет 500 нм. В первый слой ПММА вводится примесь, после чего он отжигается в течение 10 минут при температуре 170ºС. Данный способ позволяет создать толстый слой ПММА, номинальная толщина слоя составляет 1 мкм. Слой ПММА толщиной 1 мкм нужен, для того чтобы после процесса электронно-лучевой литографии на микросхеме оставался слой ПММА достаточной толщины, который позволяет выполнить литографию на следующих этапах процесса. После этого на электроды устройства наносится шаблон методом электронно-лучевой литографии. На этапе 4 в слое оксида, нанесенном с помощью термического оксидирования, с помощью ионного травления создаются канавки глубиной 50 нм. После этого с помощью термического напыления наносятся слои металла. Сначала напыляется вязкий слой титана толщиной 5 нм, затем слой золота толщиной 15 нм, который покрывается временным слоем никеля толщиной 30 нм. После напыления нескольких слоев металла происходит процесс литографии, после которого напыленный металл остается только в канавках, созданных на этапе 5. После этого на подложку осаждается атомный слой оксида алюминия (Al₂O₃) толщиной 2 нм и атомный слой вольфрама (W) толщиной 30 нм при температуре 120 ºС. На этапе 6-7 подложки, покрываются слоем ПММА толщиной 150 нм, на который наносится шаблон фрагментов устройства или твердой маски с помощью электронно-лучевой литографии. Твердая маска, предназначенная для создания фрагментов устройств, создается после процесса обратной литографии слоя никеля толщиной 30 нм, нанесенного термическим испарением. Структуры, полученные с помощью осаждения атомных слоев, четко видны после травления осажденных атомных слоев алюминия и вольфрама с помощью ионного травления.

Затем подложка повторно покрывается еще одним слоем толщиной 1,8 мкм, на который наносится шаблон методом фотолитографии, для того чтобы установить знаки совмещения, необходимые для процесса обратной литографии, на слое золота, нанесенного термическим напылением толщиной 100 нм. В этом слое создаются большие электроды, которые подключаются к включающему электроду, которые позволяют провести исследования и подсоединить провода при большей толщине слоя. После этого подложка погружается в тонкопленочный никелевый травящий раствор на 20 секунд [20]. Технология жидкого травления позволяет получить структуру путем вытравливания временного слоя и удалить никелевую маску.

[1] Z. Cui, C. Gu, Nanofabrication challenges for NEMS, in: Proceedings of the 1st IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems, Zhuhai, China, January 18–21, 2006, pp. 340–344.
[2] J.E. Jang, S.N. Cha, Y. Choi, G. Amaratunga, D.J. Kang, D.G. Hasko, J.E. Jung, J.M. Kim, Nanoelectromechanical switches with vertically aligned carbon nanotubes, Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 3114.
[3] S.M. George, A.W. Ott, J.W. Klaus, Surface chemistry for atomic layer growth, J.Phys. Chem. 100 (31) (1996) 13121–13131.
[4] R.K. Grubbs, N.J. Steinmetz, S.M. George, Gas phase reaction products during tungsten atomic layer deposition using WF6 and Si2H6, J. Vac. Sci. Technol. B 22 (4) (2004) 1811–1821.
[5] N.D. Hoivik, J.W. Elam, R.J. Linderman, V.M. Bright, S.M. George, Y.C. Lee, Atomic layer deposited protective coatings for micro-electromechanical systems, Sens. Actuators A – Phys. A103 (1–2) (2003) 100–108.
[6] T.M.Mayer, J.W. Elam, S.M. George, P.G. Kotula, R.S. Goeke, Atomic-layer deposition
of wear-resistant coatings for microelectromechanical devices, Appl. Phys. Lett. 82 (17) (2003) 2883–2885.
[7] Y.J. Chang, K. Cobry, V.M. Bright, Atomic layer deposited alumina for micromachined resonators, in: Proceedings of the 21st IEEE International Conference on MEMS 2008, Tucson, USA, January 13–17, 2008, pp. 387–390.
[8] M. Tripp, C. Herrmann, S.M. George, V.M. Bright, Ultra-thin multilayer nanomembranes for short wavelength deformable optics, in: Proceedings of the 17th IEEE International Conference on MEMS 2004 Technical Digest, pp. 77–80.
[9] M.K. Tripp, C. Stampfer, D.C. Miller, T. Helbling, C.F. Herrmann, C. Hierold, K. Gall, S.M. George, V.M. Bright, The mechanical properties of atomic layer deposited alumina for use in micro- and nano-electromechanical systems, Sens. Actuators A – Phys. 130 (2006) 419–429.
[10] S. Demoustier, E. Minoux, M. Le Baillif, M. Charles, A. Ziaei, Review of two microwave applications of carbon nanotubes: nano-antennas and nanoswitches, Comptes Rendus Physique 9 (2008) 53–66.
[11] S.W. Lee, D.S. Lee, R.E. Morjan, S.H. Jhang, M. Sveningsson, O.A. Nerushev, Y.W.
Park, E.E. Campbell,Athree-terminal carbon nanorelay, Nano Lett. 4 (10) (2004) 2027–2030.
[12] A.B. Kaul, E.W. Wong, L. Epp, B.D. Hunt, Electromechanical carbon nanotube switches for high-frequency applications, Nano Lett. 6 (5) (2006) 942–947.
[13] J.W. Ward, M. Meinhold, B.M. Segal, J. Berg, R. Sen, R. Sivarajan, D.K. Brock, T. Rueckes, A non-volatile nanoelectromechanical memory element utilizing a fabric of carbon nanotubes, in: Proceedings of the 2004 Non-Volatile Memory Technology Symposium, Orlando, November 15–17, 2004, pp. 34–38.
[14] E. Dujardin, V. Derycke, M.F. Goffman, R. Lefèvre, J.P. Bourgoin, Self-assembled switches based on electroactuated multiwalled nanotubes, Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 3107.
[15] B.D. Davidson, Y.J. Chang, D. Seghete, S.M. George, V.M. Bright, Atomic layer deposition (ALD) tungsten NEMS devices via a novel top-down approach, in: Proceedings of the 22nd IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS 2009), Sorrento, Italy, January 25–29, 2009, pp. 120–123.
[16] M. Dragoman, D. Dragoman, F. Coccetti, R. Plana, A.A. Muller, Microwave switches based on graphene, J. Appl. Phys. 105 (2009) 054309.
[17] B. Standley, B. Wenzhong, H. Zhang, J. Bruck, C.N. Lau, M. Bockrath, Graphenebased atomic-scale switches, Nano Lett. 8 (10) (2008) 3345–3349.
[18] http://www.Ansys.com.
[19] http://www.clariant.com/.
[20] http://www.transene.com/.
[21] G. Rubio-Bollinger, C. de las Heras, E. Bascones, N. Agrait, F. Guinea, S. Vieira, Single-channel transmission in gold one-atom contacts and chains, Phys. Rev. B 67 (2003) 121407.
[22] T. Cui, J. Wang, Polymer-based wide-bandwidth and high-sensitivity micromachined electron tunneling accelerometers using hot embossing, J. Microelectromech. Syst. 14 (5) (2005) 895–902.
[23] P. Hartwell, F. Bertsch, S.A. Miller, K.L. Turner, N.C. MacDonald, Single mask lateral tunneling accelerometer, in: Proceedings of IEEE MEMS ‘98, Heidelberg, Germany, January 25–29, 1998, pp. 340–344.
[24] R. Kubena, G. Atkinson, W. Robinson, F. Stratton, A new miniaturized surface micromachined tunneling accelerometer, IEEE Electron Device Lett. 17 (6) (1996) 306–308.
[25] N. Newmark, A method of computation for structural dynamics, J. Eng. Mech. Div. Am. Soc. Civil Eng. 85 (EM3) (1959) 67–94.
[26] D. Logan, A First Course in the Finite Element Method, 4th ed., Thomson Learning, Toronto, 2007.
[27] I. Jogi, J. Aarik, V. Bichevin, H. Käämbre, M. Laan, V. Sammelselg, Fowler–Nordheim tunneling in TiO2 films by atomic layer deposition on gold substrates, Proc. Estonian Acad. Sci. Phys. Math. 53 (4) (2004) 226–236.
[28] D. Acquaviva, D. Tsamados, P. Coronel, T. Skotnicki, A.M. Ionescu, Microelectromechanical metal–air–insulator–semiconductor (MEM-MAIS) diode: a novel hybrid device for ESD protection, in: Proceedings of the 22nd IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS 2009), Sorrento, Italy, January 25–29, 2009, pp. 132–135.