RU2320976C2 - Трехмерная структура, образованная тонкими кремниевыми проволоками, способ ее изготовления и устройство, содержащее ее - Google Patents

Abstract

Изобретение применимо к сканирующему зондовому микроскопу, измерителю колебаний, анализатору поверхностей и граничных поверхностей электрической схемы, детектору массы, сети электронных схем, фильтру для захвата вещества, а также к измерениям температуры, распределению температуры в электронных устройствах и распределению температуры и метаболизма в биологических материалах. Техническим результатом изобретения является повышение надежности измерений. Трехмерная структура образована высоконадежными сверхтонкими кремниевыми проволоками размером порядка от нанометров до микрометров, сформированными влажным травлением с использованием кристалличности монокристаллического материала, при этом две проволоки образуют тонкую катушку. 9 н. и 19 з.п. ф-лы, 31 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к трехмерной структуре, образованной тонкими кремниевыми проволоками. В частности, настоящее изобретение относится к трехмерной структуре, в которой используются проволоки в диапазоне размеров от нанометров (далее будем называть нано) до микрометров, сформированные травлением с использованием кристалличности кремния и т.д., в качестве элементов, к способу ее изготовления и к устройству, содержащему ее.

Традиционно пластинчатая или блочная структура, состоящая из кремния, или структура, образованная изгибанием металлических проводящих проволок, используется в таких элементах, как осцилляторы и катушки.

В целом, наконечник, намагниченный кобальтом или железом и т.д., используется в качестве наконечника в атомно-силовом микроскопе для обнаружения магнитного поля.

Кроме того, авторы настоящего изобретения уже предложили такие элементы, как кронштейн, образованный тонкой трехмерной структурой, в следующих патентных документах 1:

[Патентный документ 1]

Японская нерассмотренная патентная публикация №2001-91441 (стр.7-8, фиг.4)

[Патентный документ 2]

Японская нерассмотренная патентная публикация №2001-289768 (стр.3-4, фиг.1)

[Патентный документ 3]

Японская нерассмотренная патентная публикация №2003-114182 (стр.5-6, фиг.1)

Однако вышеописанный известный тонкий наконечник не позволяет осуществлять контроль магнитной силы в ходе процесса.

В сканирующем температурном микроскопе петля, используемая в качестве элемента, чувствительного к температуре, изготовлена вручную или из фрагментов, изготовленных с применением нанотехнологий. Это затрудняет проведение подтверждающих тестов и многоточечных измерений.

Кроме того, пластинчатый кронштейн, используемый в известном сканирующем силовом микроскопе, в сканирующем электронном микроскопе приводит к следующим проблемам. Когда наблюдение при сканирующей электронной микроскопии осуществляется перпендикулярно образцу, кронштейн заслоняет точку наблюдения, что затрудняет наблюдение образца и идентификацию точки наблюдения.

Ожидается, что миниатюризация кронштейна с использованием трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, повысит чувствительность масс-спектроскопии и обнаружения силы. Однако в этой технологии нарушения, например дефекты кристаллической структуры, вблизи поверхности значительно влияют на добротность (Q-фактор) механического осциллятора. Такие нарушения вблизи поверхности нужно уменьшать. В частности, когда трехмерную структуру, образованную тонкими кремниевыми проволоками, формируют путем реактивного ионного травления (анизотропного травления), нарушения, например дефекты кристаллической структуры, возрастают. Поэтому важно исследовать методы травления.

Ввиду вышеописанной ситуации задачей настоящего изобретения является получение высоконадежной трехмерной структуры, образованной сверхтонкими кремниевыми проволоками, предложение способа ее изготовления и устройства, содержащего ее.

Для решения вышеозначенной задачи настоящее изобретение предусматривает следующие объекты:

[1] Трехмерную структуру, образованную тонкими кремниевыми проволоками размерами порядка от нанометров до микрометров, сформированную влажным травлением с использованием кристалличности монокристаллического материала.

[2] Трехмерную структуру, образованную тонкими кремниевыми проволоками согласно [1], являющуюся тонкой катушкой, образованной совокупностью проволок.

[3] Устройство, содержащее трехмерную структуру, образованную тонкими кремниевыми проволоками, в котором магнитное поле генерируется или регистрируется тонкой катушкой, образованной совокупностью проволок, размерами порядка от нанометров до микрометров, сформированных влажным травлением с использованием кристалличности монокристаллического материала.

[4] Устройство, содержащее трехмерную структуру, образованную тонкими кремниевыми проволоками, в котором температура в ультрамалой области измеряется с использованием изменения сопротивления в зависимости от температуры тонкой катушки, образованной совокупностью проволок, размерами порядка от нанометров до микрометров, сформированных влажным травлением с использованием кристалличности монокристаллического материала.

[5] Устройство, содержащее трехмерную структуру, образованную тонкими кремниевыми проволоками, согласно [4], в котором тонкая катушка используется для визуализации распределения температуры в плоских образцах, визуализации распределения температуры и метаболизма в биологических материалах и для отображения распределения температуры в электронных устройствах.

[6] Устройство, содержащее трехмерную структуру, образованную тонкими кремниевыми проволоками, в котором взаимодействие или изменение силы или массы на атомном уровне обнаруживается за счет изменения амплитуды, фазы или частоты самовозбуждения осциллятора, образованного совокупностью проволок, размерами порядка от нанометров до микрометров, сформированных влажным травлением с использованием кристалличности монокристаллического материала.

[7] Устройство, содержащее трехмерную структуру, образованную тонкими кремниевыми проволоками, в котором образец, имеющий конкретный размер частиц, захватывается сетчатой структурой, образованной совокупностью проволок, размерами порядка от нанометров до микрометров, сформированных влажным травлением с использованием кристалличности монокристаллического материала.

[8] Устройство, содержащее трехмерную структуру, образованную тонкими кремниевыми проволоками, согласно [7], являющееся фильтром для поглощения конкретного вещества, причем фильтр сформирован путем модификации поверхности сетчатой структуры.

[9] Устройство, содержащее трехмерную структуру, образованную тонкими кремниевыми проволоками, согласно [7], в котором сетчатая структура целиком является упругим телом, вследствие чего структура является упругой.

[10] Устройство, содержащее трехмерную структуру, образованную тонкими кремниевыми проволоками, согласно [7], в котором сетчатая структура является трехмерным оптическим фильтром, дифракционной решеткой или экранирующим окном.

[11] Устройство, содержащее трехмерную структуру, образованную тонкими кремниевыми проволоками, согласно [7], в котором сетчатая структура является резистором, имеющим решетчатую структуру, тем самым обеспечивая связь электрических схем.

[12] Устройство, содержащее трехмерную структуру, образованную тонкими кремниевыми проволоками, в котором трехмерная структура образована совокупностью проволок, размерами порядка от нанометров до микрометров, сформированных влажным травлением с использованием кристалличности монокристаллического материала, и наконечник или блок, сформированный на пересечении проволок влажным травлением, используются как зонд или как масса для обеспечения структуры с заданными колебательными характеристиками.

[13] Устройство, содержащее трехмерную структуру, образованную тонкими кремниевыми проволоками, в котором устройство содержит наконечник микроскопа, позволяющий легко наблюдать участок наблюдения, причем наконечник образован совокупностью проволок размерами порядка от нанометров до микрометров, сформированных влажным травлением с использованием кристалличности монокристаллического материала.

[14] Способ изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, содержащий этапы, на которых: подготавливают подложку кремния на изоляторе (КНИ), имеющую поверхность, образованную поверхностью {100} монокристаллов кремния на ней; формируют пленку оксида кремния на части слоя КНИ подложки КНИ; формируют пленку нитрида кремния на пленке оксида кремния и части слоя КНИ; удаляют часть пленки нитрида кремния, чтобы обнажить слой КНИ, в результате чего удлиненные формы периодически размещаются параллельно направлению <110>; удаляют обнаженные участки слоя КНИ путем влажного травления; термически окисляют поверхность {111}, обнаженную при влажном травлении, для формирования термически оксидированной пленки; удаляют часть оставшейся пленки нитрида кремния и подвергают влажному травлению вновь обнаженный слой КНИ для формирования массива тонких кремниевых проволок; и удаляют оксидную пленку подложки КНИ для формирования тонких кремниевых проволок, которые могут совершать независимые колебания.

[15] Способ изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, согласно [14], в котором проксимальные концы тонких кремниевых проволок формируют так, чтобы обеспечить разные формы на двух боковых сторонах каждой тонкой проволоки.

[16] Способ изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, согласно [14], в котором тонкие кремниевые проволоки обрабатывают так, чтобы все тонкие проволоки имели одинаковую длину.

[17] Способ изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, согласно [14], в котором тонкие кремниевые проволоки обрабатывают так, чтобы все тонкие проволоки имели разную длину.

[18] Способ изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, содержащий этапы, на которых: подготавливают подложку КНИ, имеющую поверхность, образованную поверхностью {100} монокристаллов кремния на ней; формируют пленку нитрида кремния на слое КНИ подложки КНИ; удаляют часть пленки нитрида кремния, чтобы обнажить слой КНИ, в результате чего удлиненные формы периодически размещаются рядом друг с другом параллельно направлению <110>; удаляют обнаженные участки слоя КНИ посредством влажного травления; термически окисляют поверхность {111}, обнаженную при влажном травлении, для формирования термически оксидированной пленки; удаляют часть оставшейся пленки нитрида кремния и осуществляют влажное травление вновь обнаженного слоя КНИ для формирования массива тонких кремниевых проволок; и удаляют скрытую оксидную пленку подложки КНИ для формирования тонких кремниевых проволок, которые могут совершать независимые колебания.

[19] Способ изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, согласно [18], в котором проксимальные концы тонких кремниевых проволок формируют так, чтобы обеспечить разные формы на двух боковых сторонах каждой тонкой проволоки.

[20] Способ изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, согласно [18], в котором тонкие кремниевые проволоки обрабатывают так, чтобы все тонкие проволоки имели одинаковую длину.

[21] Способ изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, согласно [18], в котором тонкие кремниевые проволоки обрабатывают так, чтобы все тонкие проволоки имели разную длину.

[22] Способ изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, согласно [14], в котором трехмерная структура содержит зонды.

[23] Способ изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, согласно [22], в котором зонды являются одноопорными балками.

[24] Способ изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, согласно [23], в котором одноопорные балки являются кронштейнами для атомно-силового микроскопа.

[25] Способ изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, согласно [22], в котором зонды являются двухопорными балками.

[26] Способ изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, согласно [18], в котором трехмерная структура содержит зонды.

[27] Способ изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, согласно [26], в котором зонды являются одноопорными балками.

[28] Способ изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, согласно [27], в котором одноопорные балки являются кронштейнами для атомно-силового микроскопа.

[29] Способ изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, согласно [26], в котором зонды являются двухопорными балками.

[30] Трехмерную структуру, образованную тонкими кремниевыми проволоками, сформированную способом изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, согласно [14].

[31] Трехмерную структуру, образованную тонкими кремниевыми проволоками, сформированную способом изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, согласно [18].

Иными словами, настоящему изобретению присущи следующие признаки:

(1) Катушку можно сформировать с использованием совокупности тонких кремниевых проволок. Катушку можно использовать для генерации или регистрации магнитного поля.

(2) Катушку можно сформировать с использованием совокупности тонких кремниевых проволок. Температуру в ультрамалой области можно измерять с использованием изменения сопротивления в зависимости от температуры катушки. Катушку также можно использовать для визуализации распределения температуры в плоских образцах, визуализации распределения температуры и метаболизма в биологических материалах и для отображения распределения температуры в электронных устройствах.

(3) Осциллятор можно сформировать с использованием тонких кремниевых проволок. Взаимодействие или изменение силы или массы на атомном уровне можно обнаруживать с использованием изменения амплитуды, фазы или частоты самовозбуждения осциллятора.

(4) Сетчатую структуру можно сформировать с использованием тонких кремниевых проволок. Сетчатую структуру можно использовать для захвата образца, имеющего конкретный размер частиц.

(5) Сетчатую структуру можно сформировать с использованием тонких кремниевых проволок. Сетчатая структура приобретает свойства фильтра для поглощения конкретного вещества, благодаря модификации ее поверхности.

(6) Сетчатую структуру можно сформировать с использованием тонких кремниевых проволок, чтобы она функционировала в целом как упругое тело. Сетчатая структура приобретает свойства упругого тела, менее подверженного повреждению.

(7) Сетчатую структуру можно сформировать с использованием тонких кремниевых проволок. Сетчатая структура приобретает свойства трехмерного оптического фильтра, дифракционной решетки или экранирующего окна.

(8) Сетчатую структуру можно сформировать с использованием тонких кремниевых проволок. Сетчатая структура приобретает свойства резистора, имеющего решетчатую структуру, для обеспечения связи электрических схем.

(9) Трехмерную структуру можно сформировать с использованием тонких кремниевых проволок. Наконечник или блок можно сформировать на пересечении проволок влажным травлением. Наконечник или блок можно использовать как зонд или массу для обеспечения структуры с заданными колебательными характеристиками.

(10) Обеспечиваются одноопорные балки, образованные тонкими кремниевыми проволоками, в которых используется кристалличность кремния и не возникает нарушений, например дефектов кристаллической структуры.

(11) Обеспечиваются одноопорные балки, в которых проксимальные концы тонких проволок, функционирующих как зонды, имеют разные формы на двух боковых сторонах каждой тонкой проволоки. Такие одноопорные балки можно небольшими затратами изготавливать посредством простого процесса, в котором исключен этап формирования пленки оксида кремния. Одноопорные балки имеют надежную структуру, поскольку проксимальные концы одноопорных балок имеют асимметричную форму.

(12) Обеспечиваются одноопорные балки, имеющие хорошие характеристики зонда и одинаковую длину.

(13) Обеспечиваются одноопорные балки, имеющие хорошие характеристики зонда и разные длины.

(14) Обеспечиваются двухопорные балки, образованные тонкими кремниевыми проволоками, в которых используется кристалличность кремния и не возникает нарушений, например дефектов кристаллической структуры.

(15) Обеспечиваются двухопорные балки, имеющие хорошие характеристики в качестве зонда и одинаковую длину.

(16) Обеспечиваются двухопорные балки, имеющие хорошие характеристики в качестве зонда и разные длины.

(17) Обеспечивается трехмерная структура, имеющая одноопорные балки или двухопорные балки, образованные тонкими кремниевыми проволоками и имеющие хорошие характеристики в качестве зонда.

Далее изобретение поясняется на основе представленных чертежей, на которых показано:

Фиг.1 - схема устройства, имеющего наконечник, поддерживаемый совокупностью тонких проволок, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 - вид в перспективе (устройства) осциллятора, имеющего наконечник, поддерживаемый совокупностью тонких проволок, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.3 - вид в перспективе (устройства) тонкой катушки, образованной совокупностью тонких проволок, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 - вид в перспективе (устройства) осциллятора, имеющего наконечники, поддерживаемые двумя тонкими двухопорными проволоками, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.5 - вид в перспективе (устройства) тонкой катушки, имеющей решетчатую структуру, образованную тонкими проволоками, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.6 - вид в перспективе, согласно варианту осуществления настоящего изобретения, (устройства) осциллятора, имеющего наконечник, поддерживаемый совокупностью тонких проволок и используемый для обнаружения изменения сопротивления в зависимости от температуры.

Фиг.7 - схема измерительного моста, показанного на фиг.6.

Фиг.8 - схема (устройства) тонкой катушки, к которой можно добавить функцию модуляции, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.9 - кронштейны, функционирующие в качестве зондов, образованные тонкими кремниевыми проволоками, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.10 - процесс изготовления (№1) кронштейнов (одноопорных балок, образованных тонкими проволоками), показанных на фиг.9.

Фиг.11 - процесс изготовления (№2) кронштейнов (одноопорных балок, образованных тонкими проволоками), показанных на фиг.9.

Фиг.12 - процесс изготовления (№3) кронштейнов (одноопорных балок, образованных тонкими проволоками), показанных на фиг.9.

Фиг.13 - процесс изготовления (№4) кронштейнов (одноопорных балок, образованных тонкими проволоками), показанных на фиг.9.

Фиг.14 - процесс изготовления (№5) кронштейнов (одноопорных балок, образованных тонкими проволоками), показанных на фиг.9.

Фиг.15 - кронштейны, функционирующие как зонды, образованные тонкими кремниевыми проволоками, согласно первой модификации варианта осуществления настоящего изобретения.

Фиг.16 - кронштейны, функционирующие как зонды, образованные тонкими кремниевыми проволоками, согласно второй модификации варианта осуществления настоящего изобретения.

Фиг.17 - кронштейны, функционирующие как зонды, образованные тонкими кремниевыми проволоками, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.18 - процесс изготовления (№1) кронштейнов, функционирующих как зонды, образованных тонкими кремниевыми проволоками, показанных на фиг.17.

Фиг.19 - процесс изготовления (№2) кронштейнов, функционирующих как зонды, образованных тонкими кремниевыми проволоками, показанных на фиг.17.

Фиг.20 - процесс изготовления (№3) кронштейнов, функционирующих как зонды, образованных тонкими кремниевыми проволоками, показанных на фиг.17.

Фиг.21 - кронштейны, функционирующие как зонды, образованные тонкими кремниевыми проволоками, согласно модификации варианта осуществления настоящего изобретения.

Фиг.22 - двухопорные балки, функционирующие как зонды, образованные тонкими кремниевыми проволоками, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.23 - процесс изготовления (№1) двухопорных балок, функционирующих как зонды, образованных тонкими кремниевыми проволоками, показанных на фиг.22.

Фиг.24 - процесс изготовления (№2) двухопорных балок, функционирующих как зонды, образованных тонкими кремниевыми проволоками, показанных на фиг.22.

Фиг.25 - процесс изготовления (№3) двухопорных балок, функционирующих как зонды, образованных тонкими кремниевыми проволоками, показанных на фиг.22.

Фиг.26 - процесс изготовления (№4) двухопорных балок, функционирующих как зонды, образованных тонкими кремниевыми проволоками, показанных на фиг.22.

Фиг.27 - двухопорные балки из тонких проволок, функционирующие как зонды, образованные тонкими кремниевыми проволоками, согласно модификации варианта осуществления настоящего изобретения.

Фиг.28 - двухопорные балки (в которых проксимальные концы тонких проволок имеют разные формы на двух боковых сторонах каждой тонкой проволоки), функционирующие как зонды, образованные тонкими кремниевыми проволоками, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.29 - процесс изготовления (№ 1) двухопорных балок (в которых проксимальные концы тонких проволок имеют разные формы на двух боковых сторонах каждой тонкой проволоки), функционирующих как зонды, образованных тонкими кремниевыми проволоками, показанных на фиг.28.

Фиг.30 - процесс изготовления (№ 2) двухопорных балок (в которых проксимальные концы тонких проволок имеют разные формы на двух боковых сторонах каждой тонкой проволоки), функционирующих как зонды, образованных тонкими кремниевыми проволоками, показанных на фиг.28.

Фиг.31 - процесс изготовления (№ 3) двухопорных балок (в которых проксимальные концы тонких проволок имеют разные формы на двух боковых сторонах каждой тонкой проволоки), функционирующих как зонды, образованных тонкими кремниевыми проволоками, показанных на фиг.28.

Со ссылкой на чертежи предпочтительные варианты осуществления изобретения описываются далее.

На фиг.1 схематически показано устройство, имеющее наконечник, поддерживаемый совокупностью тонких проволок, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

На этой фигуре позиция 1 обозначает основание кронштейна, позиция 2 обозначает совокупность тонких проволок, позиция 3 обозначает наконечник и позиция 4 обозначает образец.

Согласно фигуре, поскольку наконечник 3 поддерживается совокупностью тонких проволок [размером порядка от нанометров (далее именуемых нано) до микрометров], участок наблюдения образца 4 не заслоняется. В результате участок, наблюдаемый с помощью наконечника 3, можно легко наблюдать с помощью оптического микроскопа или сканирующего микроскопа.

Авторы настоящего изобретения уже предложили тонкий механический осциллятор, сформированный с использованием полупроводникового материала, способ его изготовления и измерительное устройство, содержащее его, в вышеупомянутом патентном документе 1.

На фиг.2 изображен вид в перспективе (устройства) осциллятора, имеющего наконечник, поддерживаемый совокупностью тонких проволок, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

На этой фигуре позиция 100 обозначает основание осциллятора, позиции 101 и 102 обозначают две тонкие проволоки и позиция 103 обозначает наконечник, сформированный в месте пересечения двух тонких проволок 101 и 102.

На фиг.3 изображен вид в перспективе (устройства) тонкой катушки, образованной совокупностью тонких проволок, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

На этой фигуре позиция 200 обозначает основание тонкой катушки, а позиция 201 обозначает тонкую катушку, образованную V-образными тонкими проволоками.

На фиг.4 изображен вид в перспективе (устройства) осциллятора, имеющего наконечники, поддерживаемые двумя тонкими двухопорными проволоками, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

На этой фигуре позиция 300 обозначает основания осциллятора, расположенные с обеих сторон, позиции 301 и 302 обозначают две тонкие проволоки, проходящие от оснований 300 осциллятора и расположенные по обе стороны от него соответственно, и позиция 303 обозначает наконечники, находящиеся на пересечении двух тонких проволок 301 и 302.

Альтернативно, двойные катушки, образованные тонкими двухопорными проволоками, могут быть сформированы без образования наконечников 303, показанных на фиг.4.

На фиг.5 изображен вид в перспективе (устройства) тонкой катушки, имеющей решетчатую структуру, образованную тонкими проволоками, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

На этой фигуре позиция 400 обозначает основание тонкой катушки, а позиция 401 обозначает тонкую катушку, имеющую сетчатую структуру, образованную тонкими проволоками. Это устройство также может быть сформировано в трехмерной структуре.

На фиг.6, согласно варианту осуществления настоящего изобретения, изображен вид в перспективе (устройства) осциллятора, имеющего наконечник, поддерживаемый совокупностью тонких проволок и используемый для обнаружения изменения сопротивления в зависимости от температуры. На фиг.7 приведена схема его измерительного моста.

На фиг.6 позиция 500 обозначает опору кронштейна, позиция 501 обозначает совокупность тонких проволок и позиция 502 обозначает наконечник.

В этом варианте осуществления каждый кронштейн, образованный тонкими проволоками 501, легирован бором для обеспечения электрической проводимости. Кроме того, на опоре 500 кронштейна сформирован измерительный мост, показанный на фиг.7. В результате можно обнаруживать изменение сопротивления в зависимости от температуры кронштейна. Вследствие весьма низкой теплопроводности это устройство может обеспечивать высокую чувствительность и частоту отклика. На фиг.7 символ r₁ обозначает сопротивление совокупности участков тонких проволок, а символ r₂ и символ r₃ обозначают сопротивление опоры 500 кронштейна.

Согласно способу изготовления вышеупомянутых устройств, например, показанных на фиг.2-6, производят травление монокристаллического кремния с помощью гидроксида калия (KOH) для обеспечения тонкой проволоки, образованной совокупностью граней кристалла. Примером такой тонкой проволоки является проволока, образованная двумя поверхностями {111} кремния и поверхностью {100} кремния.

Монокристаллы кремния имеют поверхность {111}, ее эквивалентные поверхности ориентированы в двух или более направлениях. Поэтому, в зависимости от комбинации граней кристалла, травлением монокристаллического кремния можно создать тонкую проволоку, имеющую разные осевые направления.

Кроме того, в зависимости от комбинации тонких проволок, имеющих разную ориентацию, и тонких проволок, параллельных друг другу, можно получать одномерную линию или различные двух- и трехмерные структуры, например структуру катушки, решетчатую структуру, сетчатую структуру и структуру осциллятора. Такую трехмерную структуру создают с использованием многослойной структуры, состоящей, например, из кремния или оксида кремния, закрывая соответствующие участки в соответствии с тем, какие нужно подвергать травлению, а какие нет.

Структуры, созданные с применением настоящего изобретения, можно использовать в качестве балки, V-образной катушки, V-образного резистора, сетчатой структуры и трехмерной связанной структуры. В любом случае, согласно известным способам, эти структуры можно изготавливать вручную или путем объединения пластинчатых компонентов. Напротив, настоящее изобретение обеспечивает следующие преимущества:

Структуру можно миниатюризировать, можно одновременно создавать несколько структур, можно создавать структуру с высокой степенью однородности, можно создавать трехмерную структуру, можно увеличить частоту структуры и можно снизить колебательные потери в структуре.

Вышеупомянутую балку можно использовать в качестве пера, одноопорной балки или зонда. V-образную катушку можно использовать в качестве тонкой катушки.

V-образный резистор можно использовать в качестве зонда для составления карты температур в ультрамалой области с использованием изменения сопротивления в зависимости от температуры.

Сетчатую структуру можно использовать в качестве физического фильтра или физического и химического фильтра, модифицировав ее поверхность. Кроме того, сетчатая структура, которая является разновидностью губчатой структуры, может достигать заданной упругости и функционировать как фильтр, который выбирает свет в зависимости от направления или длины волны. Кроме того, когда структура совершает колебания, она функционирует как элемент оптической модуляции. Поглощение конкретного вещества можно обнаружить по изменению характеристик колебаний структуры, объединяя функцию фильтрации конкретного вещества с функциями осциллятора.

В структуре, образованной тонкими проволоками, внутренность тонких проволок используется как волновод для света или волновод для колебаний, что позволяет управлять распространением света или колебаний.

Согласно вышеописанному, тонкие проволоки размеров от нано до микронов можно получать с использованием кристалличности кремния и других элементов, и можно получить трехмерную структуру, используя тонкие проволоки в качестве элементов. Эта технология позволяет создавать такие элементы, как осциллятор, сеть, катушка, петля генерации тепла, фильтр и магнитный датчик, размерами порядка микронов или субмикронов.

В результате осциллятор может обнаруживать силу или массу, сеть может захватывать образец, имеющий конкретный размер частиц, катушка может генерировать точное магнитное поле или может обнаруживать такое магнитное поле, и петля генерации тепла может измерять распределение температуры в образце.

Этот способ применим к массовому производству трехмерной структуры, образованной от миллионов до сотен миллионов тонких проволок.

На фиг.8 схематически показана схема (устройство) тонкой катушки, к которой можно добавить функцию модуляции, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

На этой фигуре позиция 600 обозначает опору тонкой катушки, позиция 601 обозначает тонкую катушку, образованную тонкими проволоками, и позиция 602 обозначает образец.

В этом варианте осуществления, когда ток течет в тонкой катушке 601, образованной тонкими проволоками, тонкая катушка 601 позволяет обнаруживать силу Лоренца или ее градиент, обусловленную(ый) магнитным полем образца 602, как силу, приложенную в направлении колебаний.

Это устройство позволяет измерять магнитный профиль, не используя характеристики магнитного наконечника. Кроме того, это устройство может выполнять функцию модуляции, например модуляции тока, которую нельзя достигнуть с известными магнитными наконечниками.

Настоящее изобретение применимо к сканирующему зондовому микроскопу, измерителю колебаний, анализатору поверхностей и граничных поверхностей, электрической схеме, детектору массы, сети электронных схем, фильтру для захвата вещества и к упругому материалу. Настоящее изобретение также применимо к измерениям температуры, распределения температуры в электронных устройствах и распределения температуры и метаболизма в биологических материалах.

В последующем аспекте настоящего изобретения слово «кронштейн», в целом, означает кронштейн, используемый в микроскопе атомных сил, а слово «зонд» означает зонд, который не ограничивается кронштейном, используемым в микроскопе атомных сил, но представляет элемент, используемый для различных целей, например обнаружения массы и обнаружения магнитного поля.

На фиг.9 показаны кронштейны, функционирующие в качестве зондов, образованные тонкими кремниевыми проволоками, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.9(а) показан его вид в перспективе, на фиг.9(b) показан его плоский вид, а на фиг.9(с) показан его вид в разрезе по линии L-L на фиг.9(b).

На этой фигуре позиция 701 обозначает пластину обработки, позиция 702 обозначает скрытую оксидную пленку, позиция 703 обозначает слой кремния на изоляторе (КНИ) и позиция 707 обозначает кремниевые тонкие проволоки (кронштейны, образованные одноопорными балками), которые сформированы с использованием кристалличности слоя 703 КНИ.

Теперь опишем способ изготовления кронштейнов (одноопорных балок, образованных тонкими проволоками) со ссылкой на фиг.10-14.

(1) На фиг.10(а-1) показан вид сверху, а на фиг.10(а-2) показан вид в перспективе. Как показано на этих фигурах, на этапе S1 на пластине 701 обработки формируют скрытую оксидную пленку 702 и на скрытой оксидной пленке 702 формируют слой 703 КНИ. Здесь стрелка А указывает направление <100>, а стрелка В указывает направление <110>.

(2) На фиг.10(b-1) показан вид сверху, а на фиг.10(b-2) показан вид в перспективе. Как показано на этих фигурах, на этапе S2 на части слоя 703 КНИ формируют пленку 704 оксида кремния (SiO₂).

(3) На фиг.10(c-1) показан вид сверху, а на фиг.10(с-2) показан вид в перспективе. Как показано на этих фигурах, на этапе S3 сверху осаждают пленку 705 нитрида кремния (Si₃N₄).

(4) На фиг.11(d-1) показан вид сверху. На фиг.11(d-2) показан вид в разрезе по линии А-А на фиг.11(d-1), а на фиг.11(d-3) показан вид в разрезе по линии В-В на фиг.11(d-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S4 пленку 705 нитрида кремния (Si₃N₄) структурируют для формирования параллельных прямоугольных окон, так что край 704А пленки 704 оксида кремния (SiO₂) появляется в каждом окне. Длинные стороны каждого прямоугольного окна параллельны направлению <110>.

Согласно фиг.11(d-4), окна могут быть открыты с одного конца. Согласно фиг.11(d-5), окна могут быть открыты с обоих концов. Согласно фиг.11(d-6), окна могут быть открыты с другого конца.

(5) На фиг.12(е-1) показан вид сверху. На фиг.12(e-2) показан вид в разрезе по линии С-С на фиг.12(е-1), а на фиг.12(е-3) показан вид в разрезе по линии D-D на фиг.12(е-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S5 слой 703 КНИ, открытый в окнах, подвергают влажному травлению щелочным раствором, используя в качестве маски слой нитрида кремния (Si₃N₄) и, таким образом, формируя выемки, ограниченные поверхностями 703А <111>.

(6) На фиг.12(f-1) показан вид сверху. На фиг.12(f-2) показан вид в разрезе по линии Е-Е на фиг.12(f-1), а на фиг.12(f-3) показан вид в разрезе по линии F-F на фиг.12(f-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S6 полученную пластину термически окисляют. В результате открытые поверхности 703A <111> кремния защищены термически оксидированной пленкой 706.

(7) На фиг.13(g-1) показан вид сверху. На фиг.13(g-2) показан вид в разрезе по линии G-G на фиг.13(g-1), а на фиг.13(g-3) показан вид в разрезе по линии H-H на фиг.13(g-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S7 удаляют часть пленки 705 нитрида кремния (Si₃N₄). Хотя на фигурах показан случай, когда пленка 705 нитрида кремния (Si₃N₄) частично остается, пленка 705 нитрида кремния (Si₃N₄) может быть полностью удалена.

(8) На фиг.13(h-1) показан вид сверху, а на фиг.13(h-2) показан вид в разрезе по линии I-I на фиг.13(h-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S8 осуществляют второе влажное травление, используя термически оксидированную пленку 706 в качестве маски. Поэтому, как показано на фиг.13(h-2), слои 703' КНИ, имеющие, по существу, треугольное поперечное сечение, формируются на скрытой оксидной пленке 702, причем одна поверхность слоя 703' КНИ защищена термически оксидированной пленкой 706.

(9) На фиг.14(i-1) показан вид сверху, а на фиг.14(i-2) показан вид в разрезе по линии J-J на фиг.14(i-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S9 удаляют термически оксидированную пленку 706, сформированную на этапе S6, пленку 705 нитрида кремния (Si₃N₄), частично оставленную на этапе S7, и пленку 704 оксида кремния (SiO₂). В результате образуются слои 703' КНИ в виде проволок, имеющие практически треугольное поперечное сечение.

(10) На фиг.14(j-1) показан вид сверху, а на фиг.14(j-2) показан вид в разрезе по линии K-K на фиг.14(j-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S10 слои 703' КНИ в виде проволок [кронштейны (одноопорные балки)], имеющие практически треугольное поперечное сечение, обрабатывают, чтобы они имели заданную длину [например, путем реактивного ионного травления (РИТ)].

(11) Наконец, на фиг.14(k-1) показан вид сверху, а на фиг.14(k-2) показан вид в разрезе по линии L-L на фиг.14(k-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S11 скрытый оксидный слой 702, расположенный под слоями 703' КНИ в виде проволок, имеющими практически треугольное поперечное сечение, удаляют, чтобы отделить слои 703' КНИ. Таким образом, тонкие кремниевые проволоки [кронштейны (одноопорные балки)] 707 формируют с использованием кристалличности монокристаллического материала, и все тонкие кремниевые проволоки 707 имеют одинаковую длину.

Как описано выше, способ изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, содержит этапы, на которых: подготавливают подложку КНИ, имеющую поверхность, образованную поверхностью {100} монокристаллов кремния на ней; формируют пленку 704 оксида кремния на части слоя 703 КНИ подложки КНИ; формируют пленку 705 нитрида кремния на слое 703 КНИ и пленке 704 оксида кремния; удаляют часть пленки 705 нитрида кремния, чтобы обнажить слой 703 КНИ, в результате чего удлиненные формы периодически размещаются рядом друг с другом параллельно направлению <110>; удаляют обнаженный слой 703 КНИ путем влажного травления щелочным раствором; термически окисляют поверхности 703А {111}, обнаженные при влажном травлении, для формирования термически оксидированной пленки 706; удаляют часть оставшейся пленки 705 нитрида кремния; подвергают влажному травлению вновь обнаженный слой 703 КНИ с помощью щелочного раствора; удаляют термически оксидированную пленку 706 полученных слоев 703' КНИ, имеющих практически треугольное поперечное сечение, оставшуюся пленку 705 нитрида кремния и пленку 704 оксида кремния; формируют массив тонких кремниевых проволок; обрабатывают тонкие кремниевые проволоки так, чтобы тонкие кремниевые проволоки имели заданную длину; и удаляют скрытую оксидную пленку 702 подложки КНИ для формирования тонких кремниевых проволок [кронштейнов (одноопорных балок, образованных тонкими проволоками)] 707, которые могут совершать независимые колебания.

На фиг.15 показаны кронштейны, функционирующие как зонды, образованные тонкими кремниевыми проволоками, согласно первой модификации варианта осуществления настоящего изобретения. На фиг.15(а) показан вид в перспективе. На фиг.15(b) показан вид сверху, а на фиг.15(с) показан вид в разрезе по линии М-М на фиг.15(b).

В этом варианте осуществления проксимальные концы тонких кремниевых проволок [кронштейнов (одноопорных балок, образованных тонкими проволоками)] 708 выровнены. Однако тонкие кремниевые проволоки 708 сформированы так, что длина тонкой проволоки постепенно изменяется при переходе к каждой следующей тонкой проволоке. Другие структуры остаются такими же, как в вышеописанных тонких кремниевых проволоках.

На фиг.16 показаны кронштейны, функционирующие как зонды, образованные тонкими кремниевыми проволоками, согласно второй модификации варианта осуществления настоящего изобретения. На фиг.16(а) показан вид в перспективе. На фиг.16(b) показан вид сверху, а на фиг.16(с) показан вид в разрезе по линии N-N на фиг.16(b).

В этом варианте осуществления дистальные концы тонких кремниевых проволок [кронштейнов (одноопорных балок, образованных тонкими проволоками)] 709 сформированы на одной линии, а проксимальные концы тонких кремниевых проволок образуют косую форму. В результате длина тонкой проволоки постепенно изменяется при переходе к каждой следующей тонкой проволоке. Другие структуры остаются такими же, как в вышеописанных тонких кремниевых проволоках.

Согласно описанному выше, в соответствии с настоящим изобретением, одноопорные балки, образованные тонкими кремниевыми проволоками, не имеющие нарушений, например дефектов кристаллической структуры, можно формировать с использованием кристалличности кремния, в отличие от известного примера, в котором кронштейны формируют путем анизотропного травления (например, РИТ) независимо от кристалличности кремния.

На фиг.17 показаны кронштейны, функционирующие как зонды, образованные тонкими кремниевыми проволоками, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.17(а) показан вид в перспективе. На фиг.17(b) показан вид сверху, а на фиг.17(с) показан вид в разрезе по линии H-H на фиг.17(b).

На этой фигуре позиция 801 обозначает пластину обработки, позиция 802 обозначает скрытую оксидную пленку, позиция 803 обозначает слой КНИ и позиция 806 обозначает тонкие кремниевые проволоки (кронштейны, образованные одноопорными балками), которые сформированы с использованием кристалличности слоя 803 КНИ.

Теперь, со ссылкой на фиг.18-20, опишем способ создания кронштейнов (одноопорных балок, у которых проксимальные концы тонких проволок имеют разные формы на двух продольных сторонах каждой тонкой проволоки).

(1) На фиг.18(а-1) показан вид сверху, а на фиг.18(а-2) показан вид в перспективе. Как показано на этих фигурах, на этапе S1 на пластине 801 обработки формируют скрытую оксидную пленку 802 и на скрытой оксидной пленке 802 формируют слой 803 КНИ. Здесь стрелка А указывает направление <100> и стрелка В указывает направление <110>.

(2) На фиг.18(b-1) показан вид сверху, а на фиг.18(b-2) показан вид в перспективе. Как показано на этих фигурах, на этапе S2 на слое 803 КНИ формируют пленку 804 нитрида кремния (Si₃N₄).

(3) На фиг.18(c-1) показан вид сверху, а на фиг.18(c-2) показан вид в разрезе по линии А-А на фиг.18(с-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S3 пленку 804 нитрида кремния (Si₃N₄) структурируют для формирования параллельных прямоугольных окон, так что слой 803 КНИ появляется в каждом окне. Длинные стороны каждого прямоугольного окна параллельны направлению <110>.

(4) На фиг.18(d-1) показан вид сверху, а на фиг.18(d-2) показан вид в разрезе по линии В-В на фиг.18(d-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S4 осуществляют влажное травление щелочным раствором, используя пленку 804 нитрида кремния (Si₃N₄) в качестве маски, формируя таким образом выемки, ограниченные поверхностями 803А <111>.

(5) На фиг.19(е-1) показан вид сверху, а на фиг.19(е-2) показан вид в разрезе по линии С-С на фиг.19(е-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S5 полученную пластину термически окисляют. В результате открытые поверхности 803A <111> кремния защищены термически оксидированной пленкой 805.

(6) На фиг.19(f-1) показан вид сверху, а на фиг.19(f-2) показан вид в разрезе по линии D-D на фиг.19(f-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S6 пленку 804 нитрида кремния (Si₃N₄) частично удаляют, в результате чего пленка 804 нитрида кремния (Si₃N₄) остается на обоих концах прямоугольных окон.

(7) На фиг.19(g-1) показан вид сверху, а на фиг.19(g-2) показан вид в разрезе по линии E-E на фиг.19(g-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S7 осуществляют второе влажное травление, используя термически оксидированную пленку 805 в качестве маски. Поэтому слои 803' КНИ [одноопорные балки, в которых проксимальные концы тонких проволок, функционирующих как зонды, имеют разные формы на двух продольных сторонах каждой тонкой проволоки], имеющие практически треугольное поперечное сечение, формируются на скрытой оксидной пленке 802, причем одна поверхность каждого слоя 803' КНИ защищена термически оксидированной пленкой 805.

(8) На фиг.20(h-1) показан вид сверху, а на фиг.20(h-2) показан вид в разрезе по линии F-F на фиг.20(h-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S8 удаляют термически оксидированную пленку 805, сформированную на этапе S5, и пленку 804 нитрида кремния (Si₃N₄), оставшуюся на обоих концах. В результате формируются слои 803' КНИ [одноопорные балки, в которых проксимальные концы тонких проволок, функционирующих как зонды, имеют разные формы на двух продольных сторонах каждой тонкой проволоки], имеющие практически треугольное поперечное сечение.

(9) На фиг.20(i-1) показан вид сверху, а на фиг.20(i-2) показан вид в разрезе по линии G-G на фиг.20(i-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S9 слои 803' КНИ в виде проволок, имеющие практически треугольное поперечное сечение, обрабатывают, например, путем РИТ, чтобы они имели заданную длину.

(10) Наконец, на фиг.20(j-1) показан вид сверху, а на фиг.20(j-2) показан вид в разрезе по линии H-H на фиг.20(j-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S10 удаляют скрытый оксидный слой 802, расположенный под слоями 803' КНИ в виде проволок, имеющих практически треугольное поперечное сечение. Затем слои 803' КНИ в виде проволок, имеющих практически треугольное поперечное сечение, отделяют от пластины 801 обработки для формирования одноопорных балок 806, в которых проксимальные концы тонких проволок имеют разные формы на двух боковых сторонах каждой тонкой проволоки.

На фиг.21 показаны кронштейны, функционирующие как зонды, образованные тонкими кремниевыми проволоками, согласно модификации варианта осуществления настоящего изобретения. На фиг.21(а) показан вид в перспективе. На фиг.21(b) показан вид сверху, а на фиг.21(с) показан вид в разрезе по линии I-I на фиг.21(b).

В этом варианте осуществления проксимальные концы тонких кремниевых проволок [кронштейнов (одноопорных балок, образованных тонкими проволоками)] 807 имеют разные формы на двух боковых сторонах каждой тонкой проволоки. Кроме того, тонкие кремниевые проволоки [кронштейны (одноопорные балки, образованные тонкими проволоками)] 807 сформированы так, что длина каждой тонкой проволоки постепенно изменяется при переходе к следующей тонкой проволоке. Другие структуры остаются такими же, как в вышеописанных тонких кремниевых проволоках.

Согласно вышеописанному, одноопорные балки 806 и 807, в которых проксимальные концы тонких проволок, функционирующих как зонды, имеют разные формы на двух боковых сторонах каждой тонкой проволоки, можно с незначительными затратами изготавливать посредством простого процесса, в котором исключен этап формирования пленки оксида кремния. Эти одноопорные балки имеют надежную структуру, поскольку проксимальные концы одноопорных балок имеют асимметричную форму. Соответственно, можно сформировать одноопорные балки, которые устойчивы к старению, которые не просто сломать и в которых используется кристалличность кремния.

На фиг.22 показаны двухопорные балки, функционирующие как зонды, образованные тонкими кремниевыми проволоками, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.22(а) показан вид в перспективе. На фиг.22(b) показан вид сверху, а на фиг.22(с) показан вид в разрезе по линии K-K на фиг.22(b).

На этой фигуре позиция 901 обозначает пластину обработки, позиция 902 обозначает скрытую оксидную пленку, позиция 903 обозначает слой КНИ и позиция 907 обозначает тонкие кремниевые проволоки (двухопорные балки), сформированные с использованием кристалличности слоя 903 КНИ.

Далее описывается способ изготовления двухопорных балок, образованных тонкими проволоками, со ссылкой на фиг.23-26.

(1) На фиг.23(а-1) показан вид сверху, а на фиг.23(а-2) показан вид в перспективе. Как показано на этих фигурах, на этапе S1 на пластине 901 обработки формируют скрытую оксидную пленку 902 и на скрытой оксидной пленке 902 формируют слой 903 КНИ. Здесь стрелка А указывает направление <100> и стрелка В указывает направление <110>.

(2) На фиг.23(b-1) показан вид сверху, а на фиг.23(b-2) показан вид в перспективе. Как показано на этих фигурах, на этапе S2 пленку 904 оксида кремния (SiO₂) формируют путем структурирования обоих концов слоя 903 КНИ.

(3) На фиг.23(с-1) показан вид сверху, а на фиг.23(c-2) показан вид в перспективе. Как показано на этих фигурах, на этапе S3 пленка 905 нитрида кремния (Si₃N₄) осаждается на всю поверхность.

(4) На фиг.24(d-1) показан вид сверху. На фиг.24(d-2) показан вид в разрезе по линии А-А на фиг.24(d-1), а на фиг.24(d-3) показан вид в разрезе по линии В-В на фиг.11(d-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S4 пленку 905 нитрида кремния (Si₃N₄) структурируют для формирования параллельных прямоугольных окон, так что пленка 904 оксида кремния (SiO₂) появляется на обоих концах каждого окна. Согласно фиг.24(d-4), форма окон может быть открытой с обоих концов или, согласно фиг.24(d-5), форма окон может быть открытой только на нижнем конце.

(5) На фиг.24(е-1) показан вид сверху. На фиг.24(е-2) показан вид в разрезе по линии С-С на фиг.24(е-1), а на фиг.24(е-3) показан вид в разрезе по линии D-D на фиг.24(е-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S5 осуществляют влажное травление щелочным раствором, при этом в качестве маски используют слой 905 нитрида кремния (Si₃N₄), тем самым формируя выемки, ограниченные поверхностями 903А <111>.

(6) На фиг.25(f-1) показан вид сверху. На фиг.25(f-2) показан вид в разрезе по линии Е-Е на фиг.25(f-1), а на фиг.25(f-3) показан вид в разрезе по линии F-F на фиг.25(f-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S6 полученную пластину термически окисляют, используя в качестве маски пленку 905 нитрида кремния (Si₃N₄). В результате открытые поверхности 903А <111> кремния защищены термически оксидированной пленкой 906.

(7) На фиг.25(g-1) показан вид сверху. На фиг.25(g-2) показан вид в разрезе по линии G-G на фиг.25(g-1), а на фиг.25(g-3) показан вид в разрезе по линии H-H на фиг.25(g-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S7 удаляют пленку 905 нитрида кремния (Si₃N₄).

(8) На фиг.26(h-1) показан вид сверху, а на фиг.26(h-2) показан вид в разрезе по линии I-I на фиг.26(h-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S8 осуществляют второе влажное травление, используя термически оксидированную пленку 906 в качестве маски. Поэтому слои 903' КНИ (двухопорные балки, функционирующие как зонды), имеющие, по существу, треугольное поперечное сечение, формируются на скрытой оксидной пленке 902, причем одна поверхность слоя 903' КНИ защищена термически оксидированной пленкой 906.

(9) На фиг.26(i-1) показан вид сверху, а на фиг.26(i-2) показан вид в разрезе по линии J-J на фиг.26(i-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S9 удаляют термически оксидированную пленку 906, сформированную на этапе S6. В результате образуются слои 903' КНИ в виде проволок (двухопорные балки, функционирующие как зонды), имеющие практически треугольное поперечное сечение.

(10) На фиг.26(j-1) показан вид сверху, а на фиг.26(j-2) показан вид в разрезе по линии K-K на фиг.26(j-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S10 удаляют скрытую оксидную пленку 902, расположенную под слоями 903' КНИ в виде проволок, имеющими практически треугольное поперечное сечение. В результате слои 903' КНИ в виде проволок, имеющие практически треугольное поперечное сечение, отделяются от пластины 901 обработки. Таким образом, формируются зонды 907, то есть двухопорные балки, образованные тонкими кремниевыми проволоками, с использованием кристалличности слоя 903 КНИ.

Согласно описанному выше, способ изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, содержит этапы, на которых подготавливают подложку КНИ, имеющую поверхность, образованную поверхностью {100} монокристаллов кремния на ней; формируют пленку 904 оксида кремния на обоих концах слоя 903 КНИ подложки КНИ; формируют пленку 905 нитрида кремния на пленке 904 оксида кремния; удаляют часть пленки 905 нитрида кремния, чтобы обнажить слой 903 КНИ, в результате чего удлиненные формы периодически размещаются рядом друг с другом параллельно направлению <110>; удаляют обнаженный слой 903 КНИ влажным травлением с помощью щелочного раствора; термически окисляют поверхности 903А {111}, обнаженные при влажном травлении; удаляют всю остальную пленку 905 нитрида кремния; осуществляют влажное травление вновь обнаженного слоя 903 КНИ щелочным раствором; формируют массив тонких кремниевых проволок; и удаляют скрытую оксидную пленку 902 подложки КНИ для формирования тонких кремниевых проволок 907, которые могут совершать независимые колебания.

На фиг.27 показаны двухопорные балки из тонких проволок, функционирующие как зонды, образованные тонкими кремниевыми проволоками, согласно модификации варианта осуществления настоящего изобретения. На фиг.27(а) показан их вид в перспективе. На фиг.27(b) показан их вид сверху, а на фиг.27(с) показан вид в разрезе по линии L-L на фиг.27(b).

В этом варианте осуществления двухопорные балки, образованные тонкими проволоками 908, формируют так, что длина тонких проволок постепенно изменяется при переходе к каждой следующей проволоке. Другие структуры такие же, как у вышеописанных тонких кремниевых проволок.

Согласно описанному выше, в соответствии с настоящим изобретением, двухопорные балки, образованные тонкими кремниевыми проволоками, не имеющие нарушений, например дефектов кристаллической структуры, можно формировать с использованием кристалличности кремния, в отличие от известного примера, в котором двухопорные балки формируют путем анизотропного травления (например, РИТ) независимо от кристалличности кремния.

На фиг.28 показаны двухопорные балки (в которых проксимальные концы тонких проволок имеют разные формы на двух боковых сторонах каждой тонкой проволоки), функционирующие как зонды, образованные тонкими кремниевыми проволоками, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.28(а) показан их вид в перспективе. На фиг.28(b) показан их вид сверху, а на фиг.28(с) показан вид в разрезе по линии G-G на фиг.28(b).

На этой фигуре позиция 1001 обозначает пластину обработки, позиция 1002 обозначает скрытую оксидную пленку, позиция 1003 обозначает слой КНИ и позиция 1006 обозначает тонкие кремниевые проволоки (двухопорные балки), в которых проксимальные концы имеют разные формы на двух боковых сторонах каждой тонкой проволоки, причем тонкие кремниевые проволоки сформированы с использованием кристалличности слоя КНИ 1003.

Теперь опишем способ создания двухопорных балок, образованных тонкими проволоками, со ссылкой на фиг.29-31.

(1) На фиг.29(а-1) показан вид сверху, а на фиг.29(а-2) показан вид в перспективе. Как показано на этих фигурах, на этапе S1 на пластине 1001 обработки формируют скрытую оксидную пленку 1002 и на скрытой оксидной пленке 1002 формируют слой 1003 КНИ. Здесь стрелка А указывает направление <100> и стрелка В указывает направление <110>.

(2) На фиг.29(b-1) показан вид сверху, а на фиг.29(b-2) показан вид в перспективе. Как показано на этих фигурах, на этапе S2 на всей поверхности слоя 1003 КНИ формируют пленку 1004 нитрида кремния (Si₃N₄).

(3) На фиг.29(c-1) показан вид сверху, а на фиг.29(c-2) показан вид в разрезе по линии А-А на фиг.29(с-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S3 пленку 1004 нитрида кремния (Si₃N₄) структурируют для формирования прямоугольных окон.

(4) На фиг.30(d-1) показан вид сверху, а на фиг.30(d-2) показан вид в разрезе по линии В-В на фиг.30(d-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S4 осуществляют влажное травление щелочным раствором, используя пленку 1004 нитрида кремния (Si₃N₄) в качестве маски, формируя таким образом выемки, ограниченные поверхностями 1003А <111>.

(5) На фиг.30(е-1) показан вид сверху, а на фиг.30(е-2) показан вид в разрезе по линии С-С на фиг.30(е-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S5 полученную пластину термически окисляют, используя пленку 1004 нитрида кремния (Si₃N₄) в качестве маски. В результате открытые поверхности 1003A <111> кремния защищены термически оксидированной пленкой 1005.

(6) На фиг.30(f-1) показан вид сверху, а на фиг.30(f-2) показан вид в разрезе по линии D-D на фиг.30(f-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S6 пленку 1004 нитрида кремния (Si₃N₄) частично удаляют, в результате чего длина удаленной части меньше длины прямоугольных окон.

(7) На фиг.31(g-1) показан вид сверху, а на фиг.31(g-2) показан вид в разрезе по линии E-E на фиг.31(g-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S7 осуществляют второе влажное травление, используя термически оксидированную пленку 1004 в качестве маски. Поэтому слои 1003' КНИ (двухопорные балки, функционирующие как зонды), имеющие практически треугольное поперечное сечение, формируются на скрытой оксидной пленке 1002, причем одна поверхность каждого слоя 1003' КНИ защищена термически оксидированной пленкой 1005.

(8) На фиг.31(h-1) показан вид сверху, а на фиг.31(h-2) показан вид в разрезе по линии F-F на фиг.31(h-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S8 удаляют термически оксидированную пленку 1005, сформированную на этапе S5, и пленку 1004 нитрида кремния (Si₃N₄). В результате формируются слои 1003' КНИ (двухопорные балки), имеющие практически треугольное поперечное сечение.

(9) На фиг.31(i-1) показан вид сверху, а на фиг.31(i-2) показан вид в разрезе по линии G-G на фиг.31(i-1). Как показано на этих фигурах, на этапе S9 удаляют скрытую оксидную пленку 1002, расположенную под слоями 1003' КНИ в виде проволок, имеющими практически треугольное поперечное сечение. В результате тонкие кремниевые проволоки (двухопорные балки) 1006, имеющие разные формы на двух боковых сторонах каждой тонкой проволоки, формируются с использованием кристалличности слоя 1003 КНИ.

Согласно вышеописанному, тонкие кремниевые проволоки (двухопорные балки) 1006, имеющие разные формы на двух боковых сторонах каждой тонкой проволоки, можно с небольшими затратами изготавливать посредством простого процесса, в котором исключен этап формирования пленки оксида кремния. Эти двухопорные балки имеют надежную структуру, поскольку проксимальные концы всех двухопорных балок имеют асимметричную форму. Соответственно, можно сформировать двухопорные балки, которые устойчивы к старению, которые не просто сломать и в которых используют кристалличность кремния.

Настоящее изобретение не ограничивается вышеописанными вариантами. В соответствии с задачей, решаемой настоящим изобретением, могут быть произведены различные модификации, которые не выходят за рамки объема настоящего изобретения.

Согласно подробно описанному выше, настоящее изобретение обеспечивает следующие преимущества.

(А) Возможность изготовления осциллятора, образованного тонкими проволоками. В результате направление колебаний можно ограничивать в зависимости от комбинации тонких проволок. Дополнительно, поскольку тонкие проволоки имеют гладкую грань кристалла, колебательные потери, обусловленные поверхностью, можно снизить. В результате можно получить осциллятор с высокой добротностью (Q-фактором).

(В) Возможность изготовления осциллятора, образованного тонкими проволоками. В результате можно получить осциллятор, в котором снижение характеристической частоты и снижение добротности невелико даже в жидкости. Соответственно, можно изготовить осциллятор, обладающий повышенной чувствительностью и высокой скоростью регистрации.

(С) Возможность изготовления осциллятора, образованного тонкими проволоками. Осциллятор можно использовать в качестве катушки, которая может генерировать магнитное поле или регистрировать магнитное поле как силу Лоренца, связанную с протеканием тока.

(D) Возможность изготовления катушки, образованной тонкими проволоками. В результате катушка может обнаруживать изменение сопротивления, зависящее от температуры, в области, где катушка контактирует с образцом. Таким образом, можно измерить температуру в ультрамалой области образца. В результате можно отобразить распределение температуры в электронных устройствах и распределение температуры и метаболизм биологических материалов. Кроме того, поскольку можно создать большое количество тонких катушек с высокой степенью однородности, можно осуществлять подтверждающие тесты и многоточечные измерения.

(Е) Возможность формирования сетчатой структуры с использованием совокупности тонких проволок и, таким образом, возможность захватывания образцов, имеющих конкретный размер частиц.

(F) Возможность формирования сетчатой структуры с использованием совокупности тонких проволок. В результате модифицирования поверхности сетчатой структуры она может приобрести свойства фильтра для поглощения конкретного вещества. Этот фильтр обладает химической и физической избирательностью.

(G) Возможность формирования сетчатой структуры с использованием совокупности тонких проволок, функционирующей в целом как упругое тело.

(H) Возможность формирования сетчатой структуры с использованием совокупности тонких проволок и, таким образом, изготовление трехмерного оптического фильтра, дифракционной решетки и экранирующего окна. Можно изготовить трехмерную структуру правильной формы и, таким образом, добиться избирательной зависимости от направления и длины волны. Приведя систему в состояние вынужденных колебаний, можно получить элемент оптической модуляции.

(I) Возможность формирования сетчатой структуры с использованием совокупности тонких проволок. Эта сетчатая структура образует резистор, имеющий решетчатую форму, позволяющий получить связь электрических схем. Можно получить связь электрических схем, имеющую сетчатую структуру, и, таким образом, реализовать трехмерное тело, которое может осуществлять трехмерное восприятие.

(J) Возможность формирования структуры вплоть до третьей размерности с использованием совокупности тонких проволок. На пересечении тонких проволок можно сформировать наконечник или блок методом влажного травления. Наконечник или блок можно использовать в качестве зонда или массы, тем самым обеспечивая структуру с заданными колебательными характеристиками. В результате эта структура может управлять колебательными характеристиками, которыми обычно можно управлять только с помощью микроскопической структуры или сделанной вручную трехмерной структурой. Поэтому эта структура обеспечивает добротность и высокую гибкость конструкции.

(К) Возможность формирования кронштейна, образованного тонкими проволоками, и наконечника, используемого в сканирующем зондовом микроскопе. В оптической микроскопии или сканирующей электронной микроскопии, осуществляемой перпендикулярно образцу, даже область вблизи наконечника можно непосредственно наблюдать с использованием этого кронштейна. В результате можно получить соотношение между относительными позициями изображений микроскопа и более просто осуществлять каждое наблюдение.

Иными словами, можно добиться следующего: (1) генерации магнитного поля и обнаружения магнитного поля за счет реализации тонкой катушки, и повышения чувствительности обнаружения за счет модулирования тока, текущего в катушке; (2) измерения и отображения температуры за счет реализации тонкого резистора; (3) обнаружения массы и силы на атомном уровне за счет реализации тонкого осциллятора; (4) изготовления осциллятора, имеющего низкие колебательные потери и ультрамалое снижение частоты в жидкости, благодаря реализации тонкого осциллятора и, таким образом, повышения его чувствительности и увеличения частоты; (5) функций физической и химической фильтрации за счет тонкой трехмерной структуры; (6) изготовления оптического элемента, образованного тонкой трехмерной структурой; (7) сканирующего зондового микроскопа в оптическом микроскопе или сканирующем электронном микроскопе, в котором поле зрения не заслоняется; и (8) повышения надежности подтверждающих тестов и обеспечения многоточечных измерений в результате изготовления, с высокой степенью однородности, большого количества различных структур или вышеупомянутых чувствительных элементов.

(L) Согласно настоящему измерению, можно сформировать одноопорные балки, образованные тонкими кремниевыми проволоками, в которых отсутствуют нарушения, например дефекты кристаллической структуры, с использованием кристалличности кремния, в отличие от известных способов, согласно которым одноопорные балки формируют методом анизотропного травления (например, РИТ) вне зависимости от кристалличности кремния.

(М) Обеспечиваются одноопорные балки, в которых проксимальные концы тонких проволок, функционирующих как зонды, имеют разные формы на двух боковых сторонах каждой тонкой проволоки. Такие одноопорные балки можно с небольшими затратами изготавливать посредством простого процесса, в котором опущен этап формирования пленки оксида кремния. Эти одноопорные балки имеют устойчивую структуру, поскольку проксимальные концы одноопорных балок имеют асимметричную форму. Соответственно, можно сформировать одноопорные балки, обладающие устойчивостью к старению, которые не просто сломать и в которых используется кристалличность кремния.

(N) Можно легко сформировать одноопорные балки, имеющие хорошие характеристики в качестве зонда и одинаковую длину.

(О) Можно легко сформировать одноопорные балки, имеющие хорошие характеристики в качестве зонда и разные длины.

(Р) Также согласно изобретению существует возможность формирования двухопорных балок, образованных тонкими кремниевыми проволоками, в которых отсутствуют нарушения, например дефекты кристаллической структуры, с использованием кристалличности кремния, в отличие от известных способов, согласно которым одноопорные балки формируют методом анизотропного травления (например, РИТ) вне зависимости от кристалличности кремния.

(Q) Возможность изготовления двухопорных балок, в которых проксимальные концы тонких проволок, функционирующих как зонды, имеют разные формы на двух боковых сторонах каждой тонкой проволоки. Эти двухопорные балки имеют устойчивую структуру, поскольку проксимальные концы одноопорных балок имеют асимметричную форму. Соответственно, можно сформировать двухопорные балки, обладающие устойчивостью к старению, которые не просто сломать и в которых используется кристалличность кремния.

(R) Возможность легкого формирования двухопорных балок, имеющих хорошие характеристики в качестве зонда и одинаковую длину.

(S) Возможность легкого формирования двухопорных балок, имеющих хорошие характеристики в качестве зонда и разные длины.

(Т) Возможность формирования трехмерной структуры, содержащей одноопорные балки или двухопорные балки, образованные тонкими кремниевыми проволоками, имеющими хорошие характеристики в качестве зонда.

Настоящее изобретение пригодно для считывания информации с очень высокой плотностью, измерения механических и/или физических свойств ультрамалых образцов и измерения магнетизма или атомных сил с высоким разрешением. Настоящее изобретение особенно полезно в качестве технологии измерений при размерах порядка нанометров.

Claims (28)

1. Трехмерная структура, образованная тонкими кремниевыми проволоками, содержащая две тонкие проволоки размерами порядка от нанометров до микрометров, сформированные влажным травлением с использованием кристалличности монокристаллического материала, и наконечник, сформированный на пересечении двух проволок, отличающийся тем, что две проволоки образуют тонкую катушку.

2. Устройство, содержащее трехмерную структуру, образованную тонкими кремниевыми проволоками, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью генерирования или регистрации магнитного поля посредством тонкой катушки, содержащей совокупность тонких проволок, размерами порядка от нанометров до микрометров, сформированных влажным травлением с использованием кристалличности монокристаллического материала.

3. Устройство, содержащее трехмерную структуру, образованную тонкими кремниевыми проволоками, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью измерения температуры в ультрамалой области посредством изменения сопротивления тонкой катушки в зависимости от температуры, при этом тонкая катушка содержит совокупность проволок размерами порядка от нанометров до микрометров, сформированных влажным травлением с использованием кристалличности монокристаллического материала.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что тонкая катушка используется для визуализации распределения температуры в плоских образцах, визуализации распределения температуры и метаболизма в биологических материалах и для отображения распределения температуры в электронных устройствах.

5. Устройство, содержащее трехмерную структуру, образованную тонкими кремниевыми проволоками, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью обнаружения взаимодействия или изменения силы или массы на атомном уровне с использованием изменения амплитуды, фазы или частоты самовозбуждения осциллятора, содержащего совокупность тонких проволок размерами порядка от нанометров до микрометров, сформированных влажным травлением с использованием кристалличности монокристаллического материала.

6. Устройство, содержащее трехмерную структуру, образованную тонкими кремниевыми проволоками, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью захвата образца, имеющего конкретный размер частиц, посредством сетчатой структуры, содержащей совокупность тонких проволок размерами порядка от нанометров до микрометров, сформированных влажным травлением с использованием кристалличности монокристаллического материала.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что является фильтром для поглощения конкретного вещества, причем фильтр сформирован путем модификации поверхности сетчатой структуры.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что сетчатая структура как целое является упругим телом, вследствие чего структура является упругой.

9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что сетчатая структура является трехмерным оптическим фильтром, дифракционной решеткой или экранирующим окном.

10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что сетчатая структура является резистором, имеющим решетчатую структуру, и выполнено с возможностью обеспечения связи электрических схем.

11. Способ изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, содержащий этапы, на которых

(а) подготавливают подложку кремния на изоляторе (КНИ), имеющую поверхность, образованную поверхностью {100} монокристаллов кремния на ней, (b) формируют пленку оксида кремния на части слоя (КНИ) подложки (КНИ),

(c) формируют пленку нитрида кремния на пленке оксида кремния и части слоя (КНИ),

(d) удаляют часть пленки нитрида кремния, при этом обнажают слой (КНИ), в результате чего удлиненные формы периодически размещаются параллельно направлению <110>,

(e) удаляют обнаженный слой (КНИ) посредством влажного травления,

(f) термически окисляют поверхность {111}, обнаженную при влажном травлении, при этом формируют термически оксидированную пленку,

(g) удаляют часть оставшейся пленки нитрида кремния и подвергают влажному травлению вновь обнаженный слой КНИ для формирования массива тонких кремниевых проволок, и

(h) удаляют скрытую оксидную пленку подложки КНИ для формирования тонких кремниевых проволок, которые могут совершать независимые колебания.

12. Способ изготовления трехмерной структуры по п.11, отличающийся тем, что проксимальные концы тонких кремниевых проволок формируют так, чтобы обеспечить разные формы на двух боковых сторонах каждой тонкой проволоки.

13. Способ изготовления трехмерной структуры по п.11, отличающийся тем, что тонкие кремниевые проволоки обрабатывают так, чтобы все тонкие проволоки имели одинаковую длину.

14. Способ изготовления трехмерной структуры по п.11, отличающийся тем, что тонкие кремниевые проволоки обрабатывают так, чтобы все тонкие проволоки имели разную длину.

15. Способ по п.11, отличающийся тем, что трехмерная структура содержит зонды.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что зонды являются одноопорными балками.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что одноопорные балки являются кронштейнами для атомно-силового микроскопа.

18. Способ по п.15, отличающийся тем, что зонды являются двухопорными балками.

19. Способ изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, содержащий этапы, на которых

(a) подготавливают подложку кремния на изоляторе (КНИ), имеющую поверхность, образованную поверхностью {100} монокристаллов кремния на ней,

(b) формируют пленку нитрида кремния на слое (КНИ) подложки (КНИ),

(c) удаляют часть пленки нитрида кремния, при этом обнажают слой (КНИ), в результате чего удлиненные формы периодически размещаются рядом друг с другом параллельно направлению <110>,

(d) удаляют обнаженные части слоя (КНИ) влажным травлением,

(e) термически окисляют поверхность {111}, обнаженную при влажном травлении, для формирования термически оксидированной пленки,

(f) удаляют часть оставшейся пленки нитрида кремния и осуществляют влажное травление вновь обнаженного слоя (КНИ) для формирования массива тонких кремниевых проволок, и

(g) удаляют скрытую оксидную пленку подложки (КНИ) для формирования тонких кремниевых проволок, которые могут совершать независимые колебания.

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что проксимальные концы тонких кремниевых проволок формируют так, чтобы обеспечить разные формы на двух боковых сторонах каждой тонкой проволоки.

21. Способ по п.19, отличающийся тем, что тонкие кремниевые проволоки обрабатывают так, чтобы все тонкие проволоки имели одинаковую длину.

22. Способ по п.19, отличающийся тем, что тонкие кремниевые проволоки обрабатывают так, чтобы все тонкие проволоки имели разную длину.

23. Способ по п.19, отличающийся тем, что трехмерная структура содержит зонды.

24. Способ по п.23, отличающийся тем, что зонды являются одноопорными балками.

25. Способ по п.24, отличающийся тем, что одноопорные балки являются кронштейнами для атомно-силового микроскопа.

26. Способ по п.23, отличающийся тем, что зонды являются двухопорными балками.

27. Трехмерная структура, образованная тонкими кремниевыми проволоками, сформированная способом изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, по п.11.

28. Трехмерная структура, образованная тонкими кремниевыми проволоками, сформированная способом изготовления трехмерной структуры, образованной тонкими кремниевыми проволоками, по п.19.

Images