RU2808137C1

RU2808137C1 - Nanoelectromechanical resonator and method for its manufacture

Info

Publication number: RU2808137C1
Application number: RU2022120976A
Authority: RU
Inventors: Александр Андреевич Дорофеев; Иван Вячеславович Божьев; Денис Евгеньевич Преснов; Владимир Александрович Крупенин; Олег Васильевич Снигирев; Павел Олегович Михайлов; Андрей Алексеевич Попов
Filing date: 2022-08-01
Publication date: 2023-11-23

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: semiconductor devices, namely nanoelectromechanical systems (NEMS), used for the manufacture of highly sensitive sensors, the principle of operation of which is based on the transformation of external influences. Nanoelectromechanical resonator with a membrane, which is a suspended part of the membrane material, such as silicon nitride, from which the resonator base is formed, and methods for their manufacture, while the resulting membrane can be used to manufacture highly sensitive sensors. The formation of a resonator membrane and/or nanowire on the surface of a silicon wafer with a length-to-width ratio of more than 100 is the technical result of the invention, which is achieved by making process holes in the silicon wafer, made to ensure the intersection of the grooves formed in the silicon wafer during etching through process holes, while the base of the groove, adjacent to the rear side of the membrane, has the shape of a rectangle, into which the process hole is inscribed, with the sides of the rectangle parallel to the main crystallographic axes [100], and the cavity under the membrane is formed by merged grooves. Process holes are made extended and located parallel to the crystallographic axis [110] or at an angle to the main crystallographic axis [100] from 20 to 45 degrees, providing a higher rate of silicon etching in the directions of its crystallographic axes [100] and [110] compared to the rate etching in the [111] direction.

EFFECT: increase in the percentage of yield of suitable products that are easily embedded in integrated circuits.

21 cl, 26 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, а именно к наноэлектромеханическим системам (НЭМС), и может быть использовано для изготовления высокочувствительных сенсоров, принцип работы которых основан на преобразовании внешних воздействий, таких как сила, масса, смещение или др., в электрический или оптический сигнал через изменение резонансной частоты устройства. The invention relates to semiconductor devices, namely nanoelectromechanical systems (NEMS), and can be used for the manufacture of highly sensitive sensors, the operating principle of which is based on the conversion of external influences, such as force, mass, displacement, etc., into an electrical or optical signal through changing the resonant frequency of the device.

Уровень техникиState of the art

Наноэлектромеханические системы (НЭМС) - системы, состоящие из наноразмерных интегрированных электромеханических устройств, включая элементы электроники, например, высокочувствительные датчики ультрамалых масс, сил, смещения, заряда и т.д., использующие в качестве основного элемента механические нанорезонаторы и нанопровода различной конфигурации. Одной из основных тенденций развития технологий при создании НЭМС является уменьшение размера интегрированных в материал пластины микроэлектромеханических резонаторов, что связано в первую очередь с совершенствованием технологий их получения. НЭМС могут быть получены с использованием мембранной технологии, где формирование микро и наноэлектромеханических резонаторов и нанопроводов осуществляется на мембране, получаемой в материале исходной кремниевой пластины. Однако существующие мембранные технологии получения НЭМС связаны с низким выходом качественных изделий из-за дефектов резонаторов, возникающих в процессе их формирования, преимущественно при механическом воздействии на мембрану и подвешенные элементы НЭМС на различных этапах технологического цикла получения резонаторов. Наибольшее количество дефектов связано с разрушением структур, которое возникает при формировании протяженных резонаторов и нанопроводов, например, когда длина резонатора или нанопровода превышает ширину, по меньшей мере, в 100 раз, например, в процессе нанесения фоторезиста на мембрану с помощью центрифугирования, промывки пластины, нагрева ее до 180 градусов, электроннолучевой литографии, напыления тонких пленок металла и др.Nanoelectromechanical systems (NEMS) are systems consisting of nanosized integrated electromechanical devices, including electronic elements, for example, highly sensitive sensors of ultra-low mass, force, displacement, charge, etc., using mechanical nanoresonators and nanowires of various configurations as the main element. One of the main trends in technology development in the creation of NEMS is a reduction in the size of microelectromechanical resonators integrated into the plate material, which is primarily due to the improvement of technologies for their production. NEMS can be obtained using membrane technology, where the formation of micro and nanoelectromechanical resonators and nanowires is carried out on a membrane obtained in the material of the original silicon wafer. However, existing membrane technologies for producing NEMS are associated with a low yield of high-quality products due to defects in resonators that arise during their formation, mainly due to mechanical impact on the membrane and suspended elements of NEMS at various stages of the technological cycle for producing resonators. The largest number of defects is associated with the destruction of structures, which occurs during the formation of extended resonators and nanowires, for example, when the length of the resonator or nanowire exceeds the width by at least 100 times, for example, during the process of applying photoresist to the membrane using centrifugation, washing the plate, heating it up to 180 degrees, electron beam lithography, sputtering thin films of metal, etc.

В рамках настоящего изобретения под наноэлектромеханическим резонатором понимают подвешенную часть НЭМС, осуществляющую механические колебания; под нанопроводом - протяженный элемент резонатора, по крайней мере, один из поперечных размеров которого меньше 1 мкм; под мембраной - подвешенную часть из материала мембраны, например, нитрида кремния, из которой формируется основа резонатора; под системой - совокупность всех электрических и механических частей конечной структуры.In the context of the present invention, a nanoelectromechanical resonator is understood as the suspended part of a NEMS that carries out mechanical vibrations; under the nanowire - an extended resonator element, at least one of the transverse dimensions of which is less than 1 μm; under the membrane - a suspended part made of membrane material, for example, silicon nitride, from which the base of the resonator is formed; under the system - the totality of all electrical and mechanical parts of the final structure.

Изготовление наноэлектромеханических резонаторов может быть реализовано с помощью технологии, предполагающей как предварительное формирование мембраны на поверхности кремниевой пластины, так и без использования данного этапа.The production of nanoelectromechanical resonators can be realized using technology that involves either the preliminary formation of a membrane on the surface of a silicon wafer or without using this stage.

Один из способов изготовления наноэлектромеханических резонаторов подразумевает формирование структуры резонатора в верхнем слое на поверхности пластины кремния с использованием высокоселективного изотропного травления без предварительного формирования мембраны на поверхности пластины. Для этого на поверхность кремния наносят слой материала, являющийся основой резонатора. На поверхности материала формируют маску, повторяющую структуры резонатора. После чего рисунок маски переносят в слой материала, а формирование резонатора осуществляют путем высокоселективного изотропного травления кремния. Такого травления можно достичь двумя способами - жидкостным и сухим травлением. Жидкостное травление позволяет формировать резонаторы, поперечные размеры которых меньше продольных не более чем в 10 раз. При увеличении отношения продольных размеров к поперечным, резонаторы разрушаются из-за механического воздействия жидкой среды во время промывки и сушки. Сухое травление (реактивно-ионное травление, осуществляемое в газовой среде) позволяет формировать резонаторы, поперечные размеры которых меньше продольных более чем в 10 раз. Однако сложность возникает из-за необходимости поддержания высокой селективности и изотропности на протяжении всего процесса сухого травления.One of the methods for manufacturing nanoelectromechanical resonators involves the formation of a resonator structure in the top layer on the surface of a silicon wafer using highly selective isotropic etching without preliminary formation of a membrane on the surface of the wafer. To do this, a layer of material is applied to the silicon surface, which is the basis of the resonator. A mask is formed on the surface of the material, repeating the structure of the resonator. After which the mask pattern is transferred to a layer of material, and the formation of the resonator is carried out by highly selective isotropic etching of silicon. This etching can be achieved in two ways - wet and dry etching. Liquid etching makes it possible to form resonators whose transverse dimensions are no more than 10 times smaller than the longitudinal ones. As the ratio of longitudinal to transverse dimensions increases, the resonators are destroyed due to the mechanical action of the liquid medium during washing and drying. Dry etching (reactive ion etching carried out in a gaseous environment) makes it possible to form resonators whose transverse dimensions are more than 10 times smaller than the longitudinal ones. However, the difficulty arises from the need to maintain high selectivity and isotropy throughout the dry etching process.

В частности, из уровня техники известен способ изготовления наноэлектромеханических систем с использованием изотропного реактивно-ионного травления (https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.101.060503). Способ изготовления таких НЭМС включает эпитаксиальное выращивание на исходной подложке пленки материала с последующим нанесением на поверхность выращенного материала металлической маски для реактивно-ионного травления, которое осуществляют в два этапа: анизотропоное реактивно-ионное травление, при котором рисунок маски переносится в слой эпитаксиально выращенного материала резонатора, и затем изотропное реактивно-ионное травление подложки в режиме с ярко выраженной селективностью травления материала подложки по отношению к материалу резонатора.In particular, a method for manufacturing nanoelectromechanical systems using isotropic reactive ion etching is known from the prior art (https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.101.060503). The method of manufacturing such NEMS includes epitaxial growth of a film of material on the original substrate, followed by application of a metal mask to the surface of the grown material for reactive ion etching, which is carried out in two stages: anisotropic reactive ion etching, in which the mask pattern is transferred to a layer of epitaxially grown resonator material , and then isotropic reactive ion etching of the substrate in a mode with pronounced selectivity of etching of the substrate material relative to the resonator material.

Однако известное решение характеризуется сложностью осуществления изотропного реактивно-ионного травления, в связи с необходимостью обеспечения высокой селективности травления двух различных материалов. Кроме того, известное решение характеризуется низким показателем выхода годных образцов по причине несовершенства процессов изотропного реактивно-ионного травления с высокой селективностью травления и применимо только для ограниченного круга материалов. Кроме того, при использовании известного решения возникают трудности при формировании резонатора с поперечными размерами, большими 1 микрометра, так как при формировании больших участков резонатора, необходимо увеличивать длительность травления, а достижение хорошей селективности при таком травлении является достаточно проблематичным и связано с высокими требованиями к параметрам процесса изотропного реактивно-ионного травления. При этом увеличение длительности травления приводит к формированию углублений на поверхности всего образца. Так формирование углубления под проводящим контактом в области крепления резонатора к проводящему контакту может приводить к искажению заложенных резонансных свойств изготавливаемых резонаторов.However, the known solution is characterized by the complexity of carrying out isotropic reactive ion etching, due to the need to ensure high selectivity of etching of two different materials. In addition, the known solution is characterized by a low yield of suitable samples due to the imperfection of isotropic reactive ion etching processes with high etching selectivity and is applicable only for a limited range of materials. In addition, when using the known solution, difficulties arise when forming a resonator with transverse dimensions larger than 1 micrometer, since when forming large sections of the resonator, it is necessary to increase the etching duration, and achieving good selectivity with such etching is quite problematic and is associated with high requirements for parameters process of isotropic reactive ion etching. In this case, an increase in the etching duration leads to the formation of depressions on the surface of the entire sample. Thus, the formation of a recess under the conductive contact in the area where the resonator is attached to the conductive contact can lead to distortion of the inherent resonant properties of the manufactured resonators.

Известны также способы изготовления наноэлектромеханических резонаторов НЭМС, при которых уже экспонированная в верхний слой пластины структура резонатора формируется жидкостным образом путем локального вытравливания под резонатором материала подслоя между подложкой и верхним слоем пластины. Следует отметить, что данный способ также не требует изготовления мембраны https://link.springer.com/article/10.1134/S0021364018190037. Способ изготовления НЭМС подразумевает эпитаксиальное выращивание на поверхности пластины пленки материала с последующим вытравливанием в полученной пленке НЭМС и формирования резонатора путем частичного (локального) удаления материала прослойки под резонатором жидкостным методом в растворе, являющемся высокоселективным к травлению материала подложки относительно материала выращенной пленки.There are also known methods for manufacturing nanoelectromechanical NEMS resonators, in which the resonator structure, already exposed to the upper layer of the wafer, is formed in a liquid manner by local etching under the resonator of the sublayer material between the substrate and the upper layer of the wafer. It should be noted that this method also does not require the manufacture of a membrane https://link.springer.com/article/10.1134/S0021364018190037. The NEMS manufacturing method involves epitaxial growth of a film of material on the surface of a wafer, followed by etching in the resulting NEMS film and formation of a resonator by partial (local) removal of the interlayer material under the resonator using the liquid method in a solution that is highly selective for etching of the substrate material relative to the material of the grown film.

Однако известное решение характеризуется сложностью при изготовлении резонаторов с большим соотношением длины к ширине (от 10:1) и данная технология становится совершенно неприменима в случае, если требуется изготовить резонатор, длина которого превышает ширину в 100 раз и более.However, the known solution is characterized by difficulty in producing resonators with a large length-to-width ratio (from 10:1) and this technology becomes completely inapplicable if it is necessary to produce a resonator whose length exceeds its width by 100 times or more.

Из уровня техники известны способы изготовления наноэлектромеханических резонаторов, основанные на использовании мембранной технологии. Процесс изготовления наноэлектромеханических резонаторов, как правило, проходит в два этапа. Первый этап - изготовление мембраны, являющейся основой резонатора. Для этого на лицевой стороне пластины кремния формируют слой материала, из которого будет состоять мембрана, после чего с тыльной стороны пластины в жидкостной среде в кремнии протравливают сквозное окно до сформированного ранее слоя материала. Часть нанесенного материала на поверхности этого окна и является мембраной. При этом на тыльной стороне так же формируют слой, выступающий в роли маски, в котором вытравливают окно, для последующего травления кремния, это необходимо для того, чтобы ограничить область травления кремниевой пластины. Второй этап - формирование структуры резонатора из полученной мембраны с использованием имеющихся технологий в полупроводниковой промышленности. Данная технология позволяет изготавливать резонаторы различных форм и геометрических размеров, однако обусловлена высоким уровнем брака и требует большого числа итераций для сохранения целостности мембраны.Methods for manufacturing nanoelectromechanical resonators based on the use of membrane technology are known from the prior art. The manufacturing process of nanoelectromechanical resonators usually takes place in two stages. The first stage is the manufacture of the membrane, which is the basis of the resonator. To do this, a layer of material is formed on the front side of the silicon wafer that will make up the membrane, after which a through window is etched from the back side of the wafer in a liquid medium in silicon to the previously formed layer of material. Part of the applied material on the surface of this window is the membrane. At the same time, a layer is also formed on the back side, acting as a mask, in which a window is etched for subsequent etching of the silicon; this is necessary in order to limit the etching area of the silicon wafer. The second stage is the formation of a resonator structure from the resulting membrane using existing technologies in the semiconductor industry. This technology makes it possible to produce resonators of various shapes and geometric sizes, but is due to a high level of defects and requires a large number of iterations to maintain the integrity of the membrane.

В частности, из уровня техники известны наноэлектромеханические системы на основе предподготовленных мембран (https://www.researchgate.net/publication/277895497_Thermal_conductivity_of_silicon_nitride_membranes_is_not_sensitive_to_stress -) (выбран в качестве прототипа). Способ изготовления НЭМС включает эпитаксиальное выращивание слабонапряженных пленок из материала, отличного от исходного материала пластины (кремния) с лицевой и тыльной сторон пластины, с последующим вытравливанием в материале с тыльной стороны пластины окна под жидкостное травление в растворе для формирования мембраны, который является высокоселективным к травлению материала подложки по отношению к материалу выращенной пленки. Далее из полученной мембраны на лицевой стороне пластины изготавливают резонатор.In particular, nanoelectromechanical systems based on pre-prepared membranes are known from the prior art (https://www.researchgate.net/publication/277895497_Thermal_conductivity_of_silicon_nitride_membranes_is_not_sensitive_to_stress -) (selected as a prototype). The NEMS manufacturing method involves the epitaxial growth of low-stress films from a material different from the original wafer material (silicon) on the front and back sides of the wafer, followed by etching a window in the material on the back side of the wafer for liquid etching in a solution for forming a membrane, which is highly selective for etching substrate material in relation to the grown film material. Next, a resonator is made from the resulting membrane on the front side of the plate.

Однако известное решение характеризуется рядом недостатков. Мембраны, изготовленные таким способом, чувствительны к внешним воздействиям из-за наличия практически сквозного отверстия, сформированного с тыльной стороны пластины. Например, невозможна фиксация пластины на столике с вакуумным подсосом без определенной предподготовки пластины. Кроме того, НЭМС, изготовленные на основе таких мембран, сложно интегрировать в электрическую схему из-за наличия сквозного отверстия на пластине. Способ характеризуется технологической сложностью, связанной, в том числе, с необходимостью совмещения с границами мембраны при последующих литографиях. Кроме того, способ характеризуется технологической сложностью при изготовлении протяженных резонаторов с отношением продольных размеров резонатора к поперечным более чем в 100 раз.However, the known solution is characterized by a number of disadvantages. Membranes made in this way are sensitive to external influences due to the presence of an almost through hole formed on the back side of the plate. For example, it is impossible to fix a plate on a table with vacuum suction without certain preliminary preparation of the plate. In addition, NEMS based on such membranes are difficult to integrate into an electrical circuit due to the presence of a through hole on the plate. The method is characterized by technological complexity, associated, among other things, with the need for alignment with the membrane boundaries during subsequent lithographs. In addition, the method is characterized by technological complexity in the manufacture of extended resonators with a ratio of the longitudinal dimensions of the resonator to the transverse dimensions of more than 100 times.

Техническая проблема заключается в преодолении недостатков, присущих аналогам, раскрытым при описании уровня техники - изготовлении протяженного резонатора с соотношением продольных размеров к поперечным, по меньшей мере, в 100 раз без применения изотропного реактивно-ионного травления (так как этот процесс очень требователен к параметрам протекающего процесса по сравнению с технологией формирования мембраны «жидкостным» способом) и без получения сквозного отверстия в пластине кремния при формировании мембраны (которое присутствует в способе - прототипе).The technical problem is to overcome the disadvantages inherent in the analogues disclosed in the description of the prior art - the manufacture of an extended resonator with a ratio of longitudinal to transverse dimensions of at least 100 times without the use of isotropic reactive ion etching (since this process is very demanding on the parameters of the ongoing process compared to the technology of forming a membrane in a “liquid” way) and without obtaining a through hole in the silicon wafer when forming the membrane (which is present in the prototype method).

Техническая проблема решается заявленным изобретением за счет усовершенствованной технологии формирования мембраны на поверхности кремниевой пластины с последующим получением структур на ее основе, обеспечивающей повышение процента выхода качественных изделий, при этом реализация изобретения позволяет получать НЭМС с использованием простых и доступных технологий, позволяющих изготавливать резонаторы с соотношением продольных размеров к поперечным 100 и более.The technical problem is solved by the claimed invention due to the improved technology of forming a membrane on the surface of a silicon wafer with the subsequent production of structures based on it, which ensures an increase in the percentage of yield of high-quality products, while the implementation of the invention makes it possible to obtain NEMS using simple and accessible technologies that allow the production of resonators with a ratio of longitudinal cross-sectional sizes 100 or more.

Раскрытие изобретенияDisclosure of the Invention

Техническим результатом является получение мембраны на поверхности кремниевой пластины, обеспечивающей возможность формирования из нее резонатора и/или нанопровода с отношением длины резонатора (или нанопровода) к ширине, по меньшей мере, в 100 раз.The technical result is to obtain a membrane on the surface of a silicon wafer, which makes it possible to form a resonator and/or nanowire from it with a ratio of the length of the resonator (or nanowire) to the width of at least 100 times.

Способ формирования протяженной мембраны является простым в реализации по сравнению с известными аналогами, позволяет создавать НЭМС, легко встраиваемые в интегральные микросхемы без потери качества НЭМС.The method of forming an extended membrane is simple to implement compared to known analogues, and allows the creation of NEMS that can be easily integrated into integrated circuits without loss of NEMS quality.

Технический результат достигается изготовлением мембраны для наноэлектромеханического резонатора, размещенной на лицевой поверхности пластины кремния, содержащей полость (или углубление), расположенную под мембраной, характеризующейся тем, что мембрана содержит технологические отверстия, выполненные с обеспечением возможности пересечения канавок, образуемых в пластине кремния в процессе травления кремния через технологические отверстия, при этом основание канавки, примыкающее к тыльной стороне мембраны, имеет форму описанного вокруг технологического отверстия прямоугольника, стороны которого расположены параллельно основным кристаллографическим осям [100], а полость (углубление) под мембраной образована слившимися канавками.The technical result is achieved by manufacturing a membrane for a nanoelectromechanical resonator placed on the front surface of a silicon wafer containing a cavity (or recess) located under the membrane, characterized in that the membrane contains technological holes made to allow the intersection of grooves formed in the silicon wafer during the etching process silicon through technological holes, while the base of the groove adjacent to the back side of the membrane has the shape of a rectangle described around the technological hole, the sides of which are parallel to the main crystallographic axes [100], and the cavity (recess) under the membrane is formed by fused grooves.

Граница основания канавки проходит через крайние точки технологического отверстия (точки, наиболее удаленные от геометрического центра технологического отверстия).The boundary of the groove base passes through the extreme points of the technological hole (the points furthest from the geometric center of the technological hole).

Технологические отверстия имеют размер по любому из измерений не менее 10 нм, могут иметь различную форму. Предпочтительным является выполнение технологических отверстий протяженными, имеющими продольную ось симметрии, например, прямоугольной формы. При этом возможен и вариант выполнения технологических отверстий квадратной формы. В вариантах осуществления изобретения технологические отверстия могут иметь длину, по меньшей мере, в 10 раз превышающую их ширину.Technological holes have a size in any of the dimensions of at least 10 nm and can have different shapes. It is preferable to make the technological holes extended, having a longitudinal axis of symmetry, for example, rectangular in shape. In this case, it is also possible to make square-shaped technological holes. In embodiments of the invention, the process openings may have a length that is at least 10 times their width.

Протяженные технологические отверстия расположены с размещением их продольных осей под углом к основной кристаллографической оси [100] от 20 до 45 градусов, или параллельно кристаллографической оси [110], что обеспечивает более высокую скорость травления кремния в направлениях его кристаллографических осей [100] и [110] по сравнению со скоростью травления в направлении [111]. Таким образом, отверстия определяют область для травления, т.к. скорость химической реакции в кремнии минимальна в направлении [111], а максимальна - в направлении [100]. Травление останавливается на плоскостях (111) - что в свою очередь определяет форму канавки, которая образуется в результате травления кремния через технологические отверстия.Extended technological holes are located with their longitudinal axes placed at an angle to the main crystallographic axis [100] from 20 to 45 degrees, or parallel to the crystallographic axis [110], which provides a higher etching rate of silicon in the directions of its crystallographic axes [100] and [110] ] compared to the etch rate in the [111] direction. Thus, the holes define the area for etching, because the rate of chemical reaction in silicon is minimum in the [111] direction, and maximum in the [100] direction. Etching stops at the (111) planes - which in turn determines the shape of the groove, which is formed as a result of etching silicon through technological holes.

Технологические отверстия могут быть расположены вдоль одной оси (однорядное расположение) с параллельным или перпендикулярным расположением их продольных осей по отношению к диагонали мембраны, совпадающих с кристаллографическими осями [110]. В одном из вариантов осуществления изобретения технологические отверстия могут быть расположены таким образом, что их продольные оси расположены перпендикулярно оси мембраны, при этом геометрически центры технологических отверстий размещены на упомянутой оси мембраны.Technological holes can be located along one axis (single-row arrangement) with a parallel or perpendicular arrangement of their longitudinal axes with respect to the diagonal of the membrane, coinciding with the crystallographic axes [110]. In one of the embodiments of the invention, the technological holes can be located in such a way that their longitudinal axes are located perpendicular to the axis of the membrane, while geometrically the centers of the technological holes are located on the mentioned axis of the membrane.

В отдельных вариантах реализации изобретения технологические отверстия могут иметь случайное расположение. При этом предпочтительным является выбор формы и схемы расположения технологических отверстий с уменьшением их площади относительно площади формируемой мембраны. Уменьшение площади отверстий повышает прочность образуемой при травлении мембраны. Наилучший результат формирования мембраны заданных размеров достигается при использовании прямоугольных технологических отверстий с их расположением, обеспечивающим пересечение канавок, образуемых при травлении кремния через соседние технологические отверстия. Размеры отверстий, как правило, определяются технологическими возможностями литографии, например, отверстия шириной 100 нм могут быть получены с использованием электронно-лучевой литографии, от 100 до 500 нм - оптической литографии, менее 100 нм - с использованием электронно-лучевой литографии.In some embodiments of the invention, the technological holes may have a random location. In this case, it is preferable to select the shape and arrangement of technological holes with a decrease in their area relative to the area of the membrane being formed. Reducing the hole area increases the strength of the membrane formed during etching. The best result of forming a membrane of given dimensions is achieved by using rectangular technological holes with their arrangement ensuring the intersection of grooves formed during silicon etching through adjacent technological holes. The dimensions of the holes, as a rule, are determined by the technological capabilities of lithography, for example, holes with a width of 100 nm can be obtained using electron beam lithography, from 100 to 500 nm - optical lithography, less than 100 nm - using electron beam lithography.

Мембрана может быть изготовлена из любого материала, пригодного для использования в наноэлектромеханических структурах, например, из кристаллического нитрида кремния, или карбида кремния (SiC), или оксида кремния (SiO2) или любого другого материала, который не реагирует с гидроксидом калия (КОН) или другой щелочью, реагирующей с кремнием, при этом мембрана может быть выполнена как из кристаллического, так и аморфного материала. В электромеханических системах, как правило, используют кристаллический нитрид кремния.The membrane can be made of any material suitable for use in nanoelectromechanical structures, for example crystalline silicon nitride, or silicon carbide (SiC), or silicon oxide (SiO2) or any other material that does not react with potassium hydroxide (KOH) or another alkali that reacts with silicon, and the membrane can be made of either crystalline or amorphous material. Electromechanical systems typically use crystalline silicon nitride.

Технический результат достигается также изготовлением наноэлектромеханического резонатора или НЭМС с использованием описанных выше мембран. Системы могут содержать протяженные мембраны и/или провода на их основе с соотношением длины к ширине больше 1000.The technical result is also achieved by manufacturing a nanoelectromechanical resonator or NEMS using the membranes described above. Systems may contain extended membranes and/or wires based on them with a length to width ratio of more than 1000.

Технический результат достигается также способом формирования мембраны на поверхности кремниевой пластины для последующего изготовления наноэлектромеханического резонатора, включающим следующие этапы:The technical result is also achieved by the method of forming a membrane on the surface of a silicon wafer for the subsequent manufacture of a nanoelectromechanical resonator, including the following steps:

- формирование (эпитаксиальным выращиванием) на поверхности пластины кремния слоя из материала формируемой мембраны,- formation (by epitaxial growth) on the surface of a silicon wafer of a layer of the material of the membrane being formed,

- формирование в мембране технологических отверстий, обеспечивающих возможность пересечения канавок, образуемых в пластине кремния в процессе травления кремния через технологические отверстия, при этом основание канавки, примыкающее к тыльной стороне мембраны (или расположенным в плоскости мембраны с ее тыльной стороны), имеет форму прямоугольника, описанного вокруг технологического отверстия, при этом стороны прямоугольника расположены параллельно основным кристаллографическим осям [100] или [010],- formation of technological holes in the membrane, providing the possibility of crossing the grooves formed in the silicon wafer during the etching of silicon through the technological holes, while the base of the groove adjacent to the back side of the membrane (or located in the plane of the membrane on its back side) has the shape of a rectangle, described around the technological hole, with the sides of the rectangle located parallel to the main crystallographic axes [100] or [010],

- формирование мембраны на поверхности пластины путем жидкостного травления кремния через полученные технологические отверстия с образованием под отверстиями упомянутых канавок, которые в процессе травления сливаются с образованием полости (углубления) в пластине кремния и «подвешенной» мембраны.- formation of a membrane on the surface of the wafer by liquid etching of silicon through the resulting technological holes with the formation of the mentioned grooves under the holes, which during the etching process merge to form a cavity (recess) in the silicon wafer and a “suspended” membrane.

При этом формирование в мембране технологических отверстий также может быть реализовано в несколько этапов, включая нанесение слоя фоторезиста на поверхность слоя из материала формируемой мембраны; формирование (экспонирования) в слое фоторезиста рисунка отверстий с расположением их продольной оси под углом к кристаллографической оси [100] или параллельно кристаллографической оси [110] с использованием литографии (оптической или электронно-лучевой литографии) и последующим его проявлением, и формирование отверстий в слое материала мембраны посредством переноса рисунка отверстий в упомянутый слой материала мембраны с помощью реактивно-ионного травления, при котором непроявленный резист на предыдущем этапе выступает в роли маски, с последующим удалением остатков фоторезиста с поверхности пластины.In this case, the formation of technological holes in the membrane can also be implemented in several stages, including applying a layer of photoresist to the surface of the layer of the material of the membrane being formed; formation (exposure) of a pattern of holes in a photoresist layer with their longitudinal axis located at an angle to the crystallographic axis [100] or parallel to the crystallographic axis [110] using lithography (optical or electron beam lithography) and its subsequent development, and the formation of holes in the layer membrane material by transferring the pattern of holes into said layer of membrane material using reactive ion etching, in which the undeveloped resist in the previous step acts as a mask, followed by removing the remaining photoresist from the surface of the wafer.

Жидкостное травление кремния через сформированные технологические отверстия в слое материала мембраны проводят в растворе, обладающем более высокой селективностью к травлению материала подложки (Si) по отношению к эпитаксиально выращенному на поверхности подложки материалу мембраны (SiNx), при которой скорость травления материала подложки превышает скорость травления материала мембраны, по меньшей мере, в 10 раз.Liquid etching of silicon through formed technological holes in a layer of membrane material is carried out in a solution that has a higher selectivity for etching of the substrate material (Si) in relation to the membrane material epitaxially grown on the surface of the substrate (SiNx), in which the etching rate of the substrate material exceeds the etching rate of the material membranes by at least 10 times.

Рисунок технологических отверстий в слое фоторезиста формируют из условия пересечения прямоугольников, в которые вписаны технологические отверстия на плоскости мембраны.The pattern of technological holes in the photoresist layer is formed from the condition of the intersection of rectangles into which technological holes are inscribed on the membrane plane.

Способ изготовления наноэлектромеханического резонатора включает формирование на поверхности кремниевой пластины мембраны указанным выше способом с последующим нанесением на поверхность мембраны металлического слоя.A method for manufacturing a nanoelectromechanical resonator involves forming a membrane on the surface of a silicon wafer using the above method, followed by applying a metal layer to the surface of the membrane.

В связи с тем, что скорость травления кремния в направлениях [110] и [100], сильно выше скорости травления в направлении [111], то формирование рисунка технологических отверстий в слое материала, предназначенного для получения мембраны и обладающего более низкой скоростью травления по сравнению с кремнием, с расположением продольных осей отверстий в плоскости мембраны под некоторым углом к направлению кристаллографической оси кремния [100], будет обеспечивать на начальном этапе процесса травления получение канавок под каждым технологическим отверстием, и получение полости (углубления) в кремнии в результате слияния канавок на завершающем этапе травления. Технологические отверстия задают области для травления, в результате чего в процессе травления образуются канавки, которые в проекции на плоскость мембраны имеют форму прямоугольников, в которые вписаны технологические отверстия, которые также могут иметь форму прямоугольника, при этом боковые грани канавок расположены вдоль кристаллографических осей [100] и [010]. Скорость травления кремния может быть увеличена при расположении на плоскости слоя из материала мембраны рисунка технологических отверстий в форме прямоугольников под углом 45 градусов к кристаллографической оси [100], а также повышением температуры щелочного раствора, используемого при травлении. Существенным условием процесса травления с достижением технического результата является наличие областей пересечения прямоугольников, соответствующих основаниям канавок, при этом области пересечения могут иметь минимальную площадь, например, десять квадратных нанометров. Этого будет достаточно, чтобы травление продолжилось в направлениях [100] и [110]. Реализация данного изобретения позволяет сформировать прямоугольную мембрану с технологическими отверстиями, расположенными по ее диагонали.Due to the fact that the etching rate of silicon in the [110] and [100] directions is much higher than the etching rate in the [111] direction, the formation of a pattern of technological holes in a layer of material intended for producing a membrane and having a lower etching rate compared with silicon, with the longitudinal axes of the holes located in the plane of the membrane at a certain angle to the direction of the crystallographic axis of silicon [100], will ensure, at the initial stage of the etching process, the formation of grooves under each technological hole, and the formation of a cavity (recess) in silicon as a result of the merging of grooves on the final stage of etching. Technological holes define areas for etching, as a result of which, during the etching process, grooves are formed, which, when projected onto the plane of the membrane, have the shape of rectangles, into which technological holes are inscribed, which can also have the shape of a rectangle, with the side faces of the grooves located along the crystallographic axes [100 ] and [010]. The speed of silicon etching can be increased by placing a pattern of technological holes in the shape of rectangles on the plane of the layer of membrane material at an angle of 45 degrees to the [100] crystallographic axis, as well as by increasing the temperature of the alkaline solution used for etching. An essential condition for the etching process to achieve a technical result is the presence of areas of intersection of rectangles corresponding to the bases of the grooves, and the areas of intersection can have a minimum area, for example, ten square nanometers. This will be enough for etching to continue in the [100] and [110] directions. The implementation of this invention makes it possible to form a rectangular membrane with technological holes located along its diagonal.

Существующие технологии, используемые при формировании протяженных мембран, характеризуются высоким процентом получения бракованных изделий. Это связано с тем, что при больших размерах мембраны она становится слишком хрупкой для того, чтобы выдержать стандартные для полупроводниковой промышленности технологические этапы. Данный недостаток устраняется заявленным изобретением за счет использования технологических отверстий, которые позволяют изготавливать мембрану с геометрическими размерами много больше размера технологических отверстий, при этом практически не отличимую по прочности и свойствам от цельной мембраны и удобной в обращении. Если расположить два коротких технологических отверстия относительно друг друга таким образом, чтобы канавки от них в процессе травления пересеклись, то травление продолжится до углубления. Углубление, как правило, имеет пирамидальную форму, если его основанием является квадрат.Если в основании углубления - прямоугольник, то углубление, как правило, имеет форму перевернутой «Вальмовой крыши» с четырьмя боковыми гранями, две противоположные грани из которых имеют треугольную форму, а две оставшиеся - трапецеидальную форму, при этом боковые грани такого углубления будут параллельны кристаллографическим плоскостям кремния (111), и проходить через крайние точки (наиболее удаленные точки от геометрического центра) мембраны или системы технологических отверстий.Existing technologies used in the formation of extended membranes are characterized by a high percentage of defective products. This is because when the membrane is large, it becomes too fragile to withstand standard semiconductor industry process steps. This drawback is eliminated by the claimed invention through the use of technological holes, which make it possible to produce a membrane with geometric dimensions much larger than the size of the technological holes, while being practically indistinguishable in strength and properties from a solid membrane and easy to handle. If you position two short technological holes relative to each other in such a way that the grooves from them intersect during the etching process, then etching will continue until the recess is reached. The recess is usually pyramidal in shape if its base is a square. If the base of the recess is a rectangle, then the recess usually has the shape of an inverted "Hip Roof" with four side faces, two opposite faces of which are triangular in shape, and the remaining two are trapezoidal in shape, with the side faces of such a recess being parallel to the crystallographic planes of silicon (111), and passing through the extreme points (the most distant points from the geometric center) of the membrane or system of technological holes.

Это становится осуществимым благодаря тому, что, как было отмечено выше, скорость травления кремния в щелочи сильно зависит от ориентации кристаллографических осей и различается в сотни раз по направлениям [111] и направлениям [100], [110], т.е. можно считать, что кремний травится только вдоль направлений [100], [110], и практически не травится в направлении [111]. Это означает, что если травить кремниевую пластину ориентации [100] через прямоугольную маску, получится канавка, боковые стенки которой ориентированы в плоскости (111), т.е. перпендикулярны направлению, соответствующему наименьшей скорости травления. Процесс остановится практически на одной моноатомной линии вдоль кристаллографической оси, которая определится пересечением этих плоскостей под углом 70,52°. Таким образом формируется одна канавка. Если отверстие расположить под некоторым углом его продольной оси к направлению [100] или сделать отверстие неправильной формы, то в результате травления получится канавка, боковые грани которой будут ориентированы в кристаллографических плоскостях кремния (111), а основание канавки образует прямоугольник (мембрану), описанный вокруг технологического отверстия со сторонами, параллельными кристаллографическим осям [100].This becomes feasible due to the fact that, as noted above, the etching rate of silicon in alkali strongly depends on the orientation of the crystallographic axes and differs hundreds of times in the [111] and [100], [110] directions, i.e. we can assume that silicon is etched only along the [100], [110] directions, and practically not etched in the [111] direction. This means that if you etch a silicon wafer with a [100] orientation through a rectangular mask, you will get a groove whose side walls are oriented in the (111) plane, i.e. perpendicular to the direction corresponding to the lowest etching speed. The process will stop at almost one monoatomic line along the crystallographic axis, which will be determined by the intersection of these planes at an angle of 70.52°. This creates one groove. If the hole is placed at a certain angle of its longitudinal axis to the [100] direction or a hole of irregular shape is made, then as a result of etching a groove will be obtained, the side faces of which will be oriented in the crystallographic planes of silicon (111), and the base of the groove will form a rectangle (membrane), described around a technological hole with sides parallel to the crystallographic axes [100].

Возможен вариант реализации изобретения с оптимальной геометрией расположения канавок в слое резиста на поверхности нитрида кремния, где канавки имеют ширину от 100 нм до 1 мкм, длину - от 1 мкм до 10 мкм, и расположены под углом 45 (к направлению кристаллографической оси решетки [100], с шагом друг от друга несколько меньше их длины, например, на расстоянии друг от друга от 0.9 мкм до 9 мкм.It is possible to implement the invention with an optimal geometry for the arrangement of grooves in the resist layer on the surface of silicon nitride, where the grooves have a width from 100 nm to 1 μm, a length from 1 μm to 10 μm, and are located at an angle of 45 (to the direction of the crystallographic axis of the lattice [100 ], with a step from each other slightly less than their length, for example, at a distance from each other from 0.9 μm to 9 μm.

Размер, форма и расположение технологических отверстий могут отличаться - могут быть подобраны экспериментальным путем, в зависимости от назначения получаемой структуры и используемой технологии формирования мембраны.The size, shape and location of the technological holes may vary - they can be selected experimentally, depending on the purpose of the resulting structure and the membrane formation technology used.

В примере конкретного выполнения были изготовлены отверстия в виде параллельных прямоугольников размером 1 мкм х 0.4 мкм, расположенных на расстоянии 0.4 мкм друг от друга. Изготовленные мембраны с таким рисунком, резонаторы на их основе и НЭМС, продемонстрировали высокий выход годных изделий. Количество дефектных изделий составило менее 5% после процесса нанесения фоторезиста на поверхность мембраны, до нанесения резиста процент дефектных изделий составлял менее 2%. Мембраны имели высокие прочные характеристики. Экспериментально показано, что при такой геометрии возможно изготовление мембран толщиной 100 нм размером 1000 х 100 мкм с системой отверстий посередине, пригодных для дальнейшей работы, и способных выдержать все необходимые этапы для формирования из такой мембраны наноэлектромеханической системы, включая промывку, нанесение фоторезиста методом центрифугирования, нагрев до 180 градусов, электроннолучевую литографию, напыление тонких пленок металла.In a specific example, holes were made in the form of parallel rectangles with dimensions of 1 μm x 0.4 μm, located at a distance of 0.4 μm from each other. Manufactured membranes with this pattern, resonators based on them and NEMS demonstrated a high yield of suitable products. The number of defective products was less than 5% after the process of applying photoresist to the membrane surface; before applying the resist, the percentage of defective products was less than 2%. The membranes had high strength characteristics. It has been experimentally shown that with this geometry it is possible to produce membranes 100 nm thick, 1000 x 100 µm in size, with a system of holes in the middle, suitable for further work, and capable of withstanding all the necessary stages for forming a nanoelectromechanical system from such a membrane, including washing, application of photoresist by centrifugation, heating up to 180 degrees, electron beam lithography, deposition of thin metal films.

Последующее изготовление резонаторов на полученной мембране возможно с применением стандартной технологии изготовления НЭМС на мембране. А именно: нанесением фоторезиста на поверхность эпитаксиально выращенного слоя мембраны с протравленными технологическими отверстиями, электронно-лучевой литографией, в ходе которой в слой фоторезиста экспонируется рисунок НЭМС, с последующим проявлением и напылением тонкого металлического слоя, выступающего в качестве маски при дальнейшем реактивно ионном травлении.Subsequent production of resonators on the resulting membrane is possible using standard technology for manufacturing NEMS on a membrane. Namely: by applying a photoresist to the surface of an epitaxially grown membrane layer with etched technological holes, electron beam lithography, during which a NEMS pattern is exposed into the photoresist layer, followed by development and deposition of a thin metal layer, which acts as a mask for further reactive ion etching.

Краткое описание чертежейBrief description of drawings

Изобретение поясняется иллюстративными материалами, где фигуры 1 - 16 демонстрируют этапы изготовления НЭМР, на которых представлен срез АБВГ фиг.17, а именно, на фиг.1 представлена исходная пластина кремния, на фиг.2 - пластина кремния с эпитаксиально выращенными на обеих поверхностях пластины слоями нитрида кремния; на фиг.3 - нанесенный слой фоторезиста; на фиг.4 - формирование рисунка технологических отверстий в слое фоторезиста с использованием литографии и проявления, на фиг.5 - формирование технологических отверстий в слое нитрида кремния методом реактивно-ионного травления, на фиг.6 и 13 - удаление остатков фоторезиста, на фиг.7 и 14 - мембрана, сформированная травлением кремния через технологические отверстия в щелочном растворе с образованием углубления под мембраной, на фиг.8 - нанесенный фоторезист, на фиг.9 - результат литографии и проявления структуры НЭМС, на фиг.10 - нанесение металлической маски, на фиг.11 и 15 - lift-off - удаление остатков фоторезиста, на фиг.12 и 16 - результат реактивно-ионного травления неприкрытых маской участков нитрида кремния, на фиг.17 представлен срез фигуры 15 с указанием направлений кристаллографических осей [100], [110] и [111] в пластине кремния, на фиг.18 - схематичное изображение мембраны, полученной в результате формирования углубления от слияния двух канавок в результате травления через соответствующие технологические отверстия, на фиг.19 - фотография, полученная с использованием электронного микроскопа, демонстрирующая результат формирования мембраны, схематически изображенной на фиг 18, на фиг.20 - фотография мембран в результате комбинации системы канавок (схематически этот этап отображен на фиг.7 и фиг.14), полученная с использованием оптического микроскопа, на фиг.21 - фотография мембраны в результате комбинации системы канавок (схематически этот этап отображен на фиг.7 и фиг.14), полученная с использованием электронного микроскопа, на фиг.22 - фотография НЭМС (схематично этот этап отображен на фиг.12 и фиг.16), полученная с использованием электронного микроскопа, на фиг 22 - 24 - фотографии примеров реализации НЭМС на основе изготовленных мембран, фотографии получены с использованием растрового электронного микроскопа, на фиг 25 - фотографии, демонстрирующие выход годных мембран, изготовленных с использованием изобретения, на фиг.26 представлен промежуточный этап формирования углубления из системы канавок.The invention is illustrated by illustrative materials, where figures 1 - 16 demonstrate the stages of manufacturing NEMR, which shows an ABVG section of Fig. 17, namely, Fig. 1 shows the original silicon wafer, Fig. 2 shows a silicon wafer with epitaxially grown wafer on both surfaces layers of silicon nitride; figure 3 - applied layer of photoresist; Fig.4 - formation of a pattern of technological holes in a layer of photoresist using lithography and development, Fig.5 - formation of technological holes in a layer of silicon nitride using reactive ion etching, Figs. 6 and 13 - removal of photoresist residues, Fig. 7 and 14 - a membrane formed by etching silicon through technological holes in an alkaline solution with the formation of a recess under the membrane, in Fig. 8 - applied photoresist, in Fig. 9 - the result of lithography and development of the NEMS structure, in Fig. 10 - application of a metal mask, in Figs. 11 and 15 - lift-off - removal of photoresist residues, in Figs. 12 and 16 - the result of reactive ion etching of silicon nitride areas not covered by a mask, in Fig. 17 a section of figure 15 is presented indicating the directions of the crystallographic axes [100], [110] and [111] in a silicon wafer, Fig. 18 is a schematic representation of a membrane obtained as a result of the formation of a recess from the merging of two grooves as a result of etching through the corresponding technological holes, Fig. 19 is a photograph obtained using an electron microscope, demonstrating the result of the formation of the membrane, schematically depicted in Fig. 18, in Fig. 20 is a photograph of membranes as a result of a combination of a system of grooves (this stage is shown schematically in Fig. 7 and Fig. 14), obtained using an optical microscope, in Fig. 21 is a photograph membranes as a result of a combination of a system of grooves (this stage is shown schematically in Fig. 7 and Fig. 14), obtained using an electron microscope; Fig. 22 is a photograph of NEMS (this stage is shown schematically in Fig. 12 and Fig. 16), obtained using an electron microscope, Figs 22 - 24 are photographs of examples of implementation of NEMS based on manufactured membranes, photographs were obtained using a scanning electron microscope, Fig 25 are photographs demonstrating the yield of suitable membranes manufactured using the invention, Fig 26 shows an intermediate the stage of forming a recess from a system of grooves.

Позициями на фигурах обозначены: 1- кремниевая пластина; 2 - эпитаксиально выращенный слой нитрида кремния на лицевой стороне пластины, 3 - эпитаксиально выращенный слой нитрида кремния на тыльной стороне пластины, 4 - первый слой фоторезиста, 5 - проэкспонированный рисунок технологических отверстий, 6 - углубление в кремниевой пластине, вытравленное жидкостным способом, 7 - мембрана, 8 - технологическое сквозное отверстие в слое нитрида кремния, 9 - второй слой фоторезиста, 10 - металлический слой, удаляемый при lift-off, 11 - металлическая маска резонатора, 12 - металлическая маска подводящих электродов НЭМС, 13 - область пересечения канавок от травления через технологические отверстия, 14 - граница канавки,, 15 - граница мембраны и углубления, образованного при слиянии канавок в процессе травления через соответствующие технологические отверстия, 16 - линия среза, в плоскости которой отображены фиг.1-16, 17 - наноэлектромеханический резонатор.The positions in the figures indicate: 1 - silicon wafer; 2 - epitaxially grown silicon nitride layer on the front side of the wafer, 3 - epitaxially grown silicon nitride layer on the back side of the wafer, 4 - first layer of photoresist, 5 - exposed pattern of technological holes, 6 - liquid-etched recess in the silicon wafer, 7 - membrane, 8 - technological through hole in the silicon nitride layer, 9 - second layer of photoresist, 10 - metal layer removed during lift-off, 11 - metal mask of the resonator, 12 - metal mask of NEMS supply electrodes, 13 - area of intersection of etching grooves through technological holes, 14 - boundary of the groove, 15 - boundary of the membrane and the recess formed when the grooves merge during the etching process through the corresponding technological holes, 16 - cut line, in the plane of which Figs. 1-16 are displayed, 17 - nanoelectromechanical resonator.

Осуществление изобретенияCarrying out the invention

Далее представлено подробное описание изобретения, не ограничивающее его сущность. Специалисту понятно, что описание осуществления изобретения носит исключительно пояснительный характер, демонстрирующий возможность достижения заявленного технического результата. Настоящее изобретение может подвергаться различным изменениям и модификациям, понятным специалисту на основе прочтения данного описания. Такие изменения не ограничивают объем притязаний. Например, могут изменяться материал слоя, используемого для формирования мембраны, способ получения мембраны, геометрические размеры элементов, входящих в конструкцию мембраны и НЭМС, составы и параметры используемых в процессе производства НЭМС технологических газов, жидкостей, смесей и т.д.. В ряде случаев установка для электронно-лучевой литографии может быть заменена оптической или какой либо иной системой. Может быть изменен и сам процесс изготовления резонатора на полученной мембране, включая формирование резонатора с малым соотношением продольных и поперечных размеров до 1.The following is a detailed description of the invention, without limiting its essence. It is clear to a specialist that the description of the invention is of an explanatory nature only, demonstrating the possibility of achieving the stated technical result. The present invention is subject to various changes and modifications that will become apparent to those skilled in the art based on reading this specification. Such changes do not limit the scope of the claims. For example, the material of the layer used to form the membrane, the method of producing the membrane, the geometric dimensions of the elements included in the design of the membrane and NEMS, the compositions and parameters of technological gases, liquids, mixtures, etc. used in the production process of NEMS, etc. may change. In some cases The installation for electron beam lithography can be replaced by an optical or some other system. The process of manufacturing a resonator on the resulting membrane can also be changed, including the formation of a resonator with a small ratio of longitudinal and transverse dimensions up to 1.

В обобщенном варианте осуществление изобретения связано с выполнением следующих этапов.In a generalized embodiment, the implementation of the invention involves the following steps.

За основу берут стандартную для полупроводниковой технологии пластину кремния (фиг.1), на тыльной и лицевой поверхностях которой эпитаксиально выращивают слои материала изготовления мембраны, например, нитрида кремния (фиг.2). В одном из вариантов осуществления изобретения может быть использована кремниевая пластина толщиной, по меньшей мере, 100 мкм, на обеих поверхностях которой методом PECVD выращивают слои low-stress нитрида кремния толщиной не менее 10 нм. При этом в зависимости от прикладных задач может быть использована пластина кремния любой толщины, а слой нитрида кремния может быть сформирован из одного или нескольких монослоев. Кроме того, для реализации изобретения могут быть использованы коммерчески доступные пластины с уже нанесенными слоями нитрида кремния.The basis is a silicon wafer standard for semiconductor technology (Fig. 1), on the back and front surfaces of which layers of membrane manufacturing material, for example, silicon nitride (Fig. 2), are epitaxially grown. In one embodiment of the invention, a silicon wafer with a thickness of at least 100 microns can be used, on both surfaces of which layers of low-stress silicon nitride with a thickness of at least 10 nm are grown using PECVD. In this case, depending on the application, a silicon wafer of any thickness can be used, and the silicon nitride layer can be formed from one or several monolayers. In addition, commercially available wafers with already deposited layers of silicon nitride can be used to implement the invention.

На следующем этапе на лицевую поверхность пластины, например, методом центрифугирования, наносят слой позитивного фоторезиста (фиг.3), в качестве которого может быть использован полиметилметакрилат (ПММА) с молекулярной массой 950К, нанесенный на поверхность пластины, например при скорости вращения центрифуги 3000 об/мин, в течение 30 секунд с формированием однородной пленки фоторезиста на поверхности пластины заданной толщины. После центрифугирования осуществляют сушку полученного изделия, например, в течение 10 минут при температуре 180 градусов, необходимой для удаления остатков растворителя из резиста и формирования пленки толщиной 200 нм (при указанных режимах), обладающих литографическими свойствами. Температура и время указанного процесса также могут изменяться в определенных диапазонах в зависимости от решаемых прикладных задач при формировании структуры НЭМС. Для обеспечения надежного маскирования слой фоторезиста должен иметь толщину, обеспечивающую на следующих технологических этапах возможность выполнять функцию маски и выдержать реактивно-ионное травление слоя нитрида кремния во фторсодержащей плазме. Как правило, для реализации данной функции толщина слоя фоторезиста зависит от толщины слоя нитрида кремния и селективности самого процесса реактивно-ионного травления. При определенных параметрах реактивно-ионного травления и использовании слоя нитрида кремния толщиной 100 нм, слой фоторезиста может быть нанесен толщиной 200 нм; если слой нитрида кремния составляет 200 нм, то слой фоторезиста наносят толщиной 400 нм. В одном из примеров реализации изобретения был сформирован слой фоторезиста в три технологических приема с формированием трех слоев ПММА А4 суммарной толщиной слоя ~ 500 нм.At the next stage, a layer of positive photoresist is applied to the front surface of the wafer, for example, by centrifugation (Fig. 3), which can be polymethyl methacrylate (PMMA) with a molecular weight of 950K, deposited on the surface of the wafer, for example, at a centrifuge rotation speed of 3000 rpm /min, for 30 seconds with the formation of a homogeneous photoresist film on the surface of a plate of a given thickness. After centrifugation, the resulting product is dried, for example, for 10 minutes at a temperature of 180 degrees, which is necessary to remove residual solvent from the resist and form a film 200 nm thick (under the specified conditions) with lithographic properties. The temperature and time of this process can also vary within certain ranges depending on the applied problems being solved when forming the NEMS structure. To ensure reliable masking, the photoresist layer must have a thickness that allows it to perform the function of a mask at the next technological stages and withstand reactive ion etching of the silicon nitride layer in a fluorine-containing plasma. As a rule, to implement this function, the thickness of the photoresist layer depends on the thickness of the silicon nitride layer and the selectivity of the reactive ion etching process itself. With certain parameters of reactive ion etching and using a layer of silicon nitride with a thickness of 100 nm, a layer of photoresist can be deposited with a thickness of 200 nm; if the silicon nitride layer is 200 nm, then the photoresist layer is applied with a thickness of 400 nm. In one of the examples of implementation of the invention, a photoresist layer was formed in three technological steps with the formation of three layers of PMMA A4 with a total layer thickness of ~ 500 nm.

Далее в слой фоторезиста при помощи электронно-лучевой литографии экспонируют рисунок технологических отверстий (фиг.4) под углом к кристаллографической оси кремния [100]. Рисунок может быть сформирован с использованием электронного микроскопа «Supra 40» (Carl Zeiss, Германия) и литографической приставки Raith. Размеры самих технологических отверстий не являются существенными при реализации заявленного способа и определяются геометрическими особенностями конечной системы. Прочностные характеристики получаемых структур (мембраны и резонатора) обеспечиваются посредством уменьшения суммарной площади технологических отверстий в проекции на поверхности пластины, определяемой длиной, шириной технологических отверстий и расстоянием между ними, которые подбирают в зависимости от геометрических размеров резонатора. Технологические отверстия могут иметь различные размеры, например, иметь ширину (для протяженных отверстий) от 100 нм до 5 мкм, предпочтительно от 300 нм до 2 мкм, еще более предпочтительнее от 500 нм до 1 мкм, при этом длина отверстий может варьироваться в широком диапазоне значений, например, от 500 нм до 10 мкм. Выбор размеров технологических отверстий не является принципиальным и может быть связан с технологическими ограничениями, например, с выбором типа литографии. Например, оптическая литография является более доступной и простой в технологическом исполнении, однако она не позволяет получать линию шириной меньше 1 мкм, электроннолучевая литография позволяет получить линию шириной меньше 100 нм, однако является более сложной при реализации. Изобретение позволяет сформировать прямоугольную мембрану с границами, расположенными параллельно кристаллографической оси [100], при этом границы мембраны будут проходить по крайним точкам (наиболее удаленным от геометрического центра) технологических отверстий. Если два технологических отверстия расположены таким образом, что границы канавок в проекции на плоскость мембраны (описанного вокруг отверстий прямоугольника - основания канавки), образующиеся от каждого из технологических отверстий пересекаются, то это приведет к формированию полости в кремниевой пластине с «подвешенной» над ней мембраной, например, из нитрида кремния, границы углубления (описанный прямоугольник вокруг системы канав) будут расположены параллельно кристалографическим осям [100] или [010], при этом границы углубления в проекции на поверхность пластины и мембраны будут проходить уже через крайние точки системы технологических отверстий. Такое расположение рисунка технологических отверстий и областей формирования углубления под мембраной демонстрирует фигура 17. Для проявления экспонированного рисунка пластину погружают в проявитель, который обладает высокой селективностью к травлению проэкспонированных участков по отношению к непроэкспонированным, время которого, как правило, варьируется от 30 до 60 секунд. В примере конкретного выполнения в качестве проявителя использована смесь изопропилового спирта с водой в соотношении 97/3.Next, a pattern of technological holes (Fig. 4) is exposed into the photoresist layer using electron beam lithography at an angle to the crystallographic axis of silicon [100]. The pattern can be formed using a Supra 40 electron microscope (Carl Zeiss, Germany) and a Raith lithographic attachment. The dimensions of the technological holes themselves are not significant when implementing the claimed method and are determined by the geometric features of the final system. The strength characteristics of the resulting structures (membrane and resonator) are ensured by reducing the total area of technological holes in the projection on the surface of the plate, determined by the length, width of technological holes and the distance between them, which are selected depending on the geometric dimensions of the resonator. Technological holes can have different sizes, for example, have a width (for extended holes) from 100 nm to 5 μm, preferably from 300 nm to 2 μm, even more preferably from 500 nm to 1 μm, while the length of the holes can vary over a wide range values, for example, from 500 nm to 10 µm. The choice of the size of technological holes is not fundamental and may be associated with technological limitations, for example, with the choice of lithography type. For example, optical lithography is more accessible and simpler to implement, but it does not allow obtaining a line width less than 1 micron; electron beam lithography allows obtaining a line width less than 100 nm, but is more complex to implement. The invention makes it possible to form a rectangular membrane with boundaries located parallel to the crystallographic axis [100], while the boundaries of the membrane will pass along the extreme points (farthest from the geometric center) of the technological holes. If two technological holes are located in such a way that the boundaries of the grooves in projection onto the plane of the membrane (described around the holes of a rectangle - the base of the groove) formed from each of the technological holes intersect, then this will lead to the formation of a cavity in the silicon wafer with the membrane “suspended” above it , for example, from silicon nitride, the boundaries of the recess (a circumscribed rectangle around the system of grooves) will be located parallel to the crystallographic axes [100] or [010], while the boundaries of the recess in the projection onto the surface of the plate and membrane will already pass through the extreme points of the system of technological holes. This arrangement of the pattern of technological holes and areas of formation of the recess under the membrane is demonstrated by Figure 17. To develop the exposed pattern, the plate is immersed in a developer that has high selectivity for etching exposed areas relative to unexposed areas, the time of which, as a rule, varies from 30 to 60 seconds. In a specific example, a mixture of isopropyl alcohol and water in a ratio of 97/3 was used as a developer.

Далее проводят реактивно-ионное травление верхнего слоя нитрида кремния во фторсодержащей плазме (фиг.5), которое может быть реализовано с использованием известных из уровня техники средств и методов (https://biblioclub.ru/index.php?page=book_red&id=498815&razdel=208). В одном из примеров реализации изобретения реактивно-ионное травление верхнего слоя нитрида кремния проводили через полученную маску из фоторезиста в плазме, содержащей SF₆, при давлении 1 Па, мощности ВЧ-генератора 50 Вт.Продолжительность процесса зависит от толщины получаемого слоя нитрида кремния.Next, reactive ion etching of the top layer of silicon nitride is carried out in a fluorine-containing plasma (Fig. 5), which can be implemented using means and methods known from the prior art (https://biblioclub.ru/index.php?page=book_red&id=498815&razdel =208). In one example of the invention, reactive ion etching of the top layer of silicon nitride was carried out through the resulting mask of photoresist in a plasma containing SF ₆ at a pressure of 1 Pa, RF generator power 50 W. The duration of the process depends on the thickness of the resulting silicon nitride layer.

При выполнении данного этапа в качестве маски не обязательно использовать фоторезист, возможно также провести процесс посредством напыления слоя металлической маски.When performing this step, it is not necessary to use a photoresist as a mask; it is also possible to carry out the process by sputtering a layer of a metal mask.

В общем случае реализации изобретения необходимо сформировать маску для реактивно-ионного травления технологических отверстий, после чего провести реактивно-ионное травление, в результате которого рисунок отверстия переносится в верхний слой, выполненный из материала мембраны.In the general case of implementing the invention, it is necessary to form a mask for reactive ion etching of technological holes, and then carry out reactive ion etching, as a result of which the hole pattern is transferred to the top layer made of the membrane material.

После реактивно-ионного травления верхнего слоя нитрида кремния проводят удаление остатков маски из фоторезиста (фиг.6, 13), которое происходит без разрыва вакуума при реактивно-ионном травлении в кислородосодержащей среде (например, O_2, давлении 0,1 Па мощности ВЧ-генератора 50 Вт, при продолжительности процесса 2 мин., которая также зависит от толщины исходного слоя фоторезиста, и не влияет на поверхность, при превышении данного порога).After reactive ion etching of the top layer of silicon nitride, the mask residues are removed from the photoresist (Fig. 6, 13), which occurs without breaking the vacuum during reactive ion etching in an oxygen-containing environment (for example, O _2, a pressure of 0.1 Pa RF power generator 50 W, with a process duration of 2 minutes, which also depends on the thickness of the initial layer of photoresist, and does not affect the surface when this threshold is exceeded).

Далее осуществляют процесс селективного травления кремния и формирование мембраны (фиг.7). Через сформированные технологические отверстия в лицевом слое нитрида кремния осуществляют жидкостное травление материала подложки в растворе, обладающем высокой селективностью к травлению материала подложки (Si), по отношению к эпитаксиально выращенному на поверхности подложки материалу (SiNx). В одном из примеров реализации изобретения для селективного травления через сформированные в слое нитрида кремния отверстия (канавки) пластину помещают в 45% водный раствор KOH с добавлением 5% изопропилового спирта. Для повышения скорости травления кремния травление может быть осуществлено в нагретом щелочном растворе, например, до 80°С в течение трех часов для получения мембраны шириной 20-30 мкм.Next, the process of selective etching of silicon and the formation of a membrane is carried out (Fig. 7). Through the formed technological holes in the front layer of silicon nitride, liquid etching of the substrate material is carried out in a solution that has high selectivity for etching the substrate material (Si) in relation to the material epitaxially grown on the surface of the substrate (SiNx). In one example of the invention, for selective etching, through holes (grooves) formed in the silicon nitride layer, the plate is placed in a 45% aqueous solution of KOH with the addition of 5% isopropyl alcohol. To increase the speed of silicon etching, etching can be carried out in a heated alkaline solution, for example, up to 80°C for three hours to obtain a membrane with a width of 20-30 microns.

После травления образец промывают водой для удаления остатков щелочи и изопропиловым спиртом для удаления остатков воды. Данный этап завершает формирование мембраны.After etching, the sample is washed with water to remove residual alkali and with isopropyl alcohol to remove residual water. This stage completes the formation of the membrane.

Аналогично пунктам 1, 2 и 3 поверхность нитрида кремния с уже подготовленной мембраной покрывают слоем фоторезиста, в который экспонируют и проявляют рисунок наноэлектромеханической системы (НЭМС).Similar to points 1, 2 and 3, the surface of silicon nitride with an already prepared membrane is covered with a layer of photoresist, into which the pattern of a nanoelectromechanical system (NEMS) is exposed and developed.

Через проявленные окна на поверхность нитрида кремния методом электронно-лучевого напыления наносят тонкий слой металла, например, алюминия, толщиной, например, 30 нм, который в дальнейшем будет одновременно выполнять роль маски при реактивно-ионном травлении и роль проводящих контактов будущей структуры.Through the developed windows, a thin layer of metal, for example, aluminum, with a thickness of, for example, 30 nm, is applied to the surface of silicon nitride using electron beam sputtering, which in the future will simultaneously serve as a mask during reactive ion etching and the role of conducting contacts of the future structure.

Затем проводят процедуру lift-off - удаление остатков фоторезиста с поверхности образца в растворителе, в качестве которого может быть использован ацетон, метилпирролидон. Процесс проводят известными из уровня техники средствами и методами (https://www.mems-exchange.org/catalog/lift_off).Then the lift-off procedure is carried out - removing photoresist residues from the surface of the sample in a solvent, which can be acetone or methylpyrrolidone. The process is carried out using means and methods known from the prior art (https://www.mems-exchange.org/catalog/lift_off).

Следует отметить, что в технологическом процессе производства НЭМС не используют операцию ультразвуковой обработки образца изделия в ультразвуковой ванне, направленную на ускорение процедуры lift-off, для исключения возможности разрушения сформированной мембраны от возникающих звуковых колебаний. Остатки фоторезиста могут быть удалены посредством обработки поверхности с непроявленным фоторезистом ацетоном, например, с использованием шприца. Для ускорения процедуры lift-off может быть использован подогретый ацетон.It should be noted that in the technological process of producing NEMS, they do not use the operation of ultrasonic processing of a product sample in an ultrasonic bath, aimed at speeding up the lift-off procedure, to eliminate the possibility of destruction of the formed membrane from the resulting sound vibrations. Residues of photoresist can be removed by treating the surface with undeveloped photoresist with acetone, for example, using a syringe. To speed up the lift-off procedure, heated acetone can be used.

В процессе реактивно-ионного травления во фторсодержащей плазме рисунок маски может быть перенесен в верхний слой нитрида кремния, в результате чего в области мембраны формируется резонатор.During the process of reactive ion etching in fluorine-containing plasma, the mask pattern can be transferred to the top layer of silicon nitride, resulting in the formation of a resonator in the membrane area.

Примеры реализации изобретенияExamples of implementation of the invention

Согласно изобретению были изготовлены НЭМС, фотографии которых представлены на фиг.22 - 25. На фиг.22 представлен наномеханический резонатор (НМР) длиной 400 мкм, с поперечным сечением 100х100 нм². На 23 и 24 представлены НМР с управляющими электродами, резонаторы выполнены длиной 100 мкм с поперечным сечением 100х100 нм², управляющие электроды расположены на расстоянии от проводов/резонаторов приблизительно на 100-200 нм.According to the invention, NEMS were manufactured, photographs of which are presented in Figs. 22 - 25. Fig. 22 shows a nanomechanical resonator (NMR) 400 μm long, with a cross section of 100x100 nm ² . Figures 23 and 24 show NMRs with control electrodes, the resonators are 100 µm long with a cross section of 100x100 nm ² , the control electrodes are located at a distance of approximately 100-200 nm from the wires/resonators.

При изготовлении НЭМС использована пластина со слоем нитрида кремния толщиной 100 нм, полученного методом химического осаждения из газовой фазы при низком давлении в реакторе на пластину кремния, толщиной 300 мкм (LPCVD - Low Pressure Chemical Vapor Deposition). При таком режиме осаждения полученная пленка имеет низкое напряжение растяжения порядка 300 - 400 МПа.In the manufacture of NEMS, a wafer with a layer of silicon nitride 100 nm thick was used, obtained by chemical vapor deposition at low pressure in a reactor onto a silicon wafer 300 μm thick (LPCVD - Low Pressure Chemical Vapor Deposition). Under this deposition mode, the resulting film has a low tensile stress of the order of 300 - 400 MPa.

На данную пластину методом центрифугирования при скорости 3000 оборотов в минуту, в течение 30 секунд нанесен слой позитивного фоторезиста ПММА с молекулярной массой 950 К. Толщина полученного слоя ПММА при таких параметрах составила 200 нм. Затем образец подвергался сушке при температуре 180° в течение 10 минут.Для получения слоя фоторезиста толщиной 400 нм процесс повторялся.A layer of positive PMMA photoresist with a molecular weight of 950 K was applied to this plate by centrifugation at a speed of 3000 rpm for 30 seconds. The thickness of the resulting PMMA layer with these parameters was 200 nm. The sample was then dried at 180° for 10 minutes. To obtain a photoresist layer 400 nm thick, the process was repeated.

Далее с использованием электронного микроскопа «Supra 40» (Carl Zeiss, Германия) и литографической приставки Raith методом электронно-лучевой литографии в фоторезист экспонировался рисунок конфигурации отверстий (окон) под углом 45 градусов к направлению кристалографической оси кремния [100]. Экспонирование фоторезиста происходило при давлении в камере растрового электронного микроскопа 4×10^-7 - 6×10^-6 мбар, ускоряющем напряжении электронного пучка 20 кВ с экспозиционной дозой 300 мкКл/см². Значение апертуры при экспонировании рисунка канавок и подводящих электродов составляет 60 мкм, а нанопроводов и управляющих электродов 30 мкм.Next, using a Supra 40 electron microscope (Carl Zeiss, Germany) and a Raith lithographic attachment using electron beam lithography, a pattern of holes (windows) was exposed into the photoresist at an angle of 45 degrees to the direction of the crystallographic axis of silicon [100]. The photoresist was exposed at a pressure in the scanning electron microscope chamber of 4×10 ^-7 - 6×10 ^-6 mbar, an accelerating voltage of the electron beam of 20 kV with an exposure dose of 300 µC/cm ² . The aperture value when exposing the pattern of grooves and lead electrodes is 60 μm, and that of nanowires and control electrodes is 30 μm.

На следующем этапе экспонированный слой фоторезиста ПММА проявляли в смеси изопропанола с деионизованной воды в соотношении 93:7. Затем выполняли травление слоя нитрида кремния во фторсодержащей плазме (SF₆) через проявленные окна в фоторезисте с использованием установки «RDE-300» (Alcatel, Франция) на протяжении 90 секунд при мощности ВЧ генератора 50 Вт и давлении газа 1Па. Фоторезист удаляли в кислородосодержащей плазме при тех же параметрах в течение 2 минут, без разрыва вакуума между этапами травления.At the next stage, the exposed PMMA photoresist layer was developed in a mixture of isopropanol and deionized water in a ratio of 93:7. Then, the silicon nitride layer was etched in a fluorine-containing plasma (SF ₆ ) through developed windows in the photoresist using an RDE-300 installation (Alcatel, France) for 90 seconds at an RF generator power of 50 W and a gas pressure of 1 Pa. The photoresist was removed in oxygen-containing plasma at the same parameters for 2 minutes, without breaking the vacuum between etching steps.

Далее формировали мембрану путем селективного травления кремния через полученные отверстия в нитриде кремния 40% водным раствором KOH с добавлением 5% изопропилового спирта на протяжении 3 часов при 80°. Микрофотография полученной структуры канавки представлена на фиг.19. В процессе селективного травления кремния отдельные канавки объединялись в одну большую полость, формируя мембрану из нитрида кремния (рис. 21). Процесс травления останавливали при получении ширины мембраны 20 мкм.Next, the membrane was formed by selective etching of silicon through the resulting holes in silicon nitride with a 40% aqueous solution of KOH with the addition of 5% isopropyl alcohol for 3 hours at 80°. A micrograph of the resulting groove structure is shown in Fig. 19. During the process of selective etching of silicon, individual grooves were combined into one large cavity, forming a silicon nitride membrane (Fig. 21). The etching process was stopped when the membrane width was 20 μm.

После формирования мембраны процессы нанесения ПММА повторяли и методом электронно-лучевой литографии в резист экспонировали рисунок нанопроводов и электродов.After the membrane was formed, the PMMA deposition processes were repeated, and a pattern of nanowires and electrodes was exposed into the resist using electron beam lithography.

Фоторезист проявляли методом электронно-лучевого напыления в установке «L560» (Leybold), формировали алюминиевую маску толщиной 30 нм при давлении в вакуумной камере 4×10^-7 мбар, ускоряющем напряжении электронного пучка 20 кВ и скорости напыления 0,2 нм/с. После напыления маски фоторезист удаляли в метилпирролидоне при температуре 110°, оставляя алюминиевый рисунок в проэкспонированных участках. После чего методом реактивно-ионного травления во фторсодержащей плазме протравливали нитрид кремния в не прикрытых алюминием местах. Таким образом формировали на пластине кремния подвешенные нанопровода и управляющие электроды.The photoresist was developed by electron beam sputtering in an L560 installation (Leybold), an aluminum mask 30 nm thick was formed at a vacuum chamber pressure of 4×10 ^-7 mbar, an electron beam accelerating voltage of 20 kV and a deposition rate of 0.2 nm/s. After deposition of the mask, the photoresist was removed in methylpyrrolidone at a temperature of 110°, leaving the aluminum pattern in the exposed areas. Then, using reactive ion etching in a fluorine-containing plasma, silicon nitride was etched in places not covered with aluminum. In this way, suspended nanowires and control electrodes were formed on a silicon wafer.

При использовании изобретения выход качественных изделий составил 95% при изготовлении резонаторов с соотношением продольных размеров к поперечным 1000. НЭМС легко встраивались в интегральные микросхемы без потери качества. Данное преимущество было достигнуто благодаря травлению кремния через технологические отверстия, сформированные в мембране, расположение которых обеспечивало пересечение образуемых в процессе травления в пластине кремния канавок от соседних технологических отверстий, которые в проекции на мембрану имели область пересечения. Данный факт также демонстрируют результаты эксперимента, представленные на фиг.26, на которой отражен промежуточный этап формирования углубления из системы канавок. В центральной части данного изображения представлена система отверстий, для которых прямоугольники, описанные вокруг каждого из отверстий, имеют пересечение, что привело к формированию углубления. В правой части фигуры представлена увеличенная область с двумя соседними технологическими отверстиями, фактические размеры которых оказались менее исходных (сформированных на этапе литографии), в результате чего прямоугольники, описанные вокруг этих двух отверстий, не имеют области пересечения, травление кремния (формирование мембраны) остановилось на границе прямоугольника, описанного вокруг реально сформировавшегося отверстия, стороны которого расположены параллельно основным кристаллографическим осям [100].When using the invention, the yield of quality products was 95% when manufacturing resonators with a ratio of longitudinal to transverse dimensions of 1000. NEMS were easily integrated into integrated circuits without loss of quality. This advantage was achieved by etching silicon through technological holes formed in the membrane, the location of which ensured the intersection of the grooves formed during the etching process in the silicon wafer from adjacent technological holes, which in projection onto the membrane had an intersection area. This fact is also demonstrated by the experimental results presented in Fig. 26, which shows the intermediate stage of forming a recess from a system of grooves. In the central part of this image there is a system of holes for which the rectangles described around each of the holes intersect, resulting in the formation of a recess. The right side of the figure shows an enlarged area with two adjacent technological holes, the actual dimensions of which turned out to be smaller than the original ones (formed at the lithography stage), as a result of which the rectangles described around these two holes do not have an intersection area, silicon etching (membrane formation) stopped at the boundary of a rectangle circumscribed around the actually formed hole, the sides of which are located parallel to the main crystallographic axes [100].

Таким образом, заявленный способ обладает всеми преимуществами классической технологии изготовления НЭМС на мембранах и позволяет изготовить НЭМС практически любого размера и любой формы. При этом, заявленный способ избавлен от недостатков классической технологии изготовления НЭМС на мембранах, связанных с наличием сквозного отверстия в кремниевой подложке, которое образуется в процессе формирования мембраны.Thus, the claimed method has all the advantages of the classical technology for manufacturing NEMS on membranes and allows the production of NEMS of almost any size and any shape. At the same time, the claimed method is free from the disadvantages of the classical technology for manufacturing NEMS on membranes associated with the presence of a through hole in the silicon substrate, which is formed during the formation of the membrane.

Claims

1. A membrane for a nanoelectromechanical resonator placed on a silicon wafer with a cavity formed under the membrane, characterized in that the membrane contains technological holes made to allow the intersection of grooves formed in the silicon wafer during the etching of silicon through the technological holes, while the base of the groove , adjacent to the back side of the membrane, has the shape of a rectangle into which the technological hole is inscribed, with the sides of the rectangle arranged parallel to the main crystallographic axes [100], and the cavity under the membrane is formed by fused grooves.

2. The membrane according to claim 1, characterized in that the boundary of the groove base passes through the extreme points of the technological hole.

3. The membrane according to claim 1, characterized in that the technological holes have a size in any of the dimensions of at least 10 nm.

4. The membrane according to claim 1, characterized in that the technological holes are extended.

5. The membrane according to claim 1, characterized in that the technological holes are made rectangular or oval.

6. The membrane according to claim 4, characterized in that the extended technological holes are located with their longitudinal axes placed at an angle to the main crystallographic axis [100].

7. The membrane according to claim 4, characterized in that the extended technological holes are located parallel to the crystallographic axis [110].

8. The membrane according to claim 4, characterized in that the technological holes are located at an angle to the main crystallographic axis [100] from 20 to 45 degrees, providing a higher etching rate of silicon in the directions of its crystallographic axes [100] and [110] compared with an etching rate in the [111] direction.

9. The membrane according to claim 4, characterized in that the technological holes have a length that is at least 10 times greater than their width.

10. The membrane according to claim 1, characterized in that the membrane is formed from the front surface of the plate.

11. The membrane according to claim 1, characterized in that the membrane is made of a material suitable for use in nanoelectromechanical structures.

12. The membrane according to claim 4, characterized in that the technological holes are located along one axis with their longitudinal axis parallel or perpendicular to the diagonal of the membrane coinciding with the crystallographic axis [110].

13. The membrane according to claim 4, characterized in that the technological holes are located in such a way that their longitudinal axes are located perpendicular to the membrane axis, while the geometric centers of the technological holes are located on said membrane axis.

14. The membrane according to claim 1, characterized in that the technological holes have a random location.

15. Nanoelectromechanical resonator, characterized in that it is made on the basis of a membrane according to claim 1.

16. Nanoelectromechanical resonator according to claim 15, characterized in that it is made with a length-to-width ratio greater than 1000.

17. A method for forming a membrane on the surface of a silicon wafer according to claim 1 for the subsequent production of a nanoelectromechanical resonator, including

- formation on the surface of a silicon wafer of a layer from the material of the formed membrane,

- formation of technological holes in the membrane, providing the possibility of intersection of grooves formed in the silicon wafer during the etching of silicon through technological holes, while the base of the groove adjacent to the back side of the membrane has the shape of a rectangle described around the technological hole, the sides of which are located parallel to the main crystallographic axes [100] or [010],

- forming a membrane according to claim 1 on the surface of the wafer by liquid etching of silicon through the resulting technological holes with the formation of the mentioned grooves under the holes, which during the etching process merge to form a cavity in the silicon wafer and a “suspended” membrane.

18. The method according to claim 17, characterized in that the formation of technological holes in the membrane is carried out in several stages, including applying a layer of photoresist to the surface of the layer of material of the membrane being formed; forming a pattern of holes in a photoresist layer with their longitudinal axis located at an angle to the crystallographic axis [100] or parallel to the crystallographic axis [110] using lithography and its subsequent development, and forming holes in a layer of membrane material by transferring the pattern of holes into said layer of membrane material using reactive ion etching, in which the undeveloped resist at the previous stage acts as a mask, followed by removal of photoresist residues from the surface of the wafer.

19. The method according to claim 17, characterized in that liquid etching of silicon through formed technological holes in the layer of membrane material is carried out in a solution that has a higher selectivity for etching of the substrate material in relation to the membrane material epitaxially grown on the surface of the substrate, at which the etching rate the substrate material exceeds the etching rate of the membrane material by at least 10 times.

20. The method according to claim 17, characterized in that the pattern of technological holes in the photoresist layer is formed from the condition of the intersection of rectangles into which technological holes are inscribed on the plane of the membrane.

21. A method for manufacturing a nanoelectromechanical resonator according to claim 15, including forming a membrane according to claim 1 on the surface of a silicon wafer manufactured by the method according to claim 17, followed by applying a metal layer to the surface of the membrane.