Методические указания по проведению лабораторных работ по курсу

Процессы микро и нанотехнологий

Для подготовки магистров по образовательным программам 210141.68, 210143.68, 210152.68, 210153.68, 210176.68 по направлению 210100.68 – «Электроника и наноэлектроника».

С-Петербург 2012

Процессы микро и нанотехнологии: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Процессы микро и нанотехнологий» / Cост.: П.Ю. Белявский, С.Ф. Карманенко, А.А. Никитин, А.А. Семенов, А.В. Тумаркин. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. 78 с.

Рассмотрены основные этапы выполнения лабораторных работ по курсу «Процессы микро и нанотехнологии». Приводится краткое описание физических моделей, лежащих в основе различных технологических режимов напыления и осаждения металлических и диэлектрических пленок, а также процессов ионного и химического травления.

Приведена методика расчета технологических процессов режимов осаждения пленок, на основе которых составляются рекомендации для реальных технологических процессов. Содержатся необходимые справочные сведения и характеристики элементов для проведения расчетов.

ВВЕДЕНИЕ

Рассмотрены основные этапы выполнения лабораторных работ по курсу «Процессы микро и нанотехнологии». Кратко описаны технологические процессы получения тонких металлических и диэлектрических пленок микронных и субмикронных толщин. Приведены основные теоретические модели, позволяющие описать физические явления, происходящие в технологических процессах. В предложенном курсе лабораторных работ из всего многообразия технологических процессов современной электроники рассматриваются процессы, в основе которых находится воздействие пучков заряженных и нейтральных частиц и низкотемпературной плазмы на твердотельные объекты, а также процессы фотолитографии.

Рассмотрение процесса взаимодействия движущихся частиц с веществом требует использования основных элементов раздела молекулярно-китетической физики, описывающего процессы рассеяния, т.е. аналитического подхода к явлениям изменения энергии и направления движения частицы в результате столкновений. Последовательность упругих и неупругих парных взаимодействий изучается с помощью теории рассеяния. При описании рассеяния частиц необходимо знать как передается энергия от ускоренных частиц атомам вещества, траектории движения частиц, пространственные распределения. Основными задачами данного курса работ является получение практических навыков и знакомство с реальными технологическими процессами, применяемыми в производстве элементов микро и наноэлектроники, а также изучение особенностей физико-технологических пучковых и плазменных процессов.

В технологических процессах электроники, использующих взаимодействие энергетичных потоков с твердым телом, применяются разнообразные частицы и излуче­ния. Различие потоков частиц и излучений (фотонов) основывается на определении фотона как квантовой частицы, обладающей высокой энергией и массой покоя равной нулю. Такие частицы, как ион, электрон, ускоренные атомы, молекулы и радикалы имеют ненулевую массу покоя. Совокупность заряженных и нейтральных частиц, об­ладающих энергией существенно превышающей тепловую, масса покоя которых не равна нулю, объединяется понятием корпускула, которое активно применялось еще русским ученым-естествоиспытателем М.В.Ломоносовым В некоторых научных и учебных изданиях применяется термин «корпускулярно-фотонная технология», что является вполне оправданным, поскольку выбранное понятие охватывает все воз­можные технологические процессы, в которых применяются ионные, электронные, нейтральные ускоренные потоки, низкотемпературная плазма и различные фотонные воздействия - лазерные лучи, рентгеновское и другие излучения.

Корпускулярные потоки образуются под действием электромагнитных полей и распространяются в какой-либо среде в одном преимущественном направлении. По­ток частиц с ограниченным поперечным размером называют пучком. С целью опреде­ления параметров корпускулярных пучков применяются макро- и микроскопические параметры. К последней группе параметров относятся: масса, атомный номер, энергия и заряд элементарной частицы (корпускулы) - т, ȥ, Е, (±)n, соответственно, а также поперечные (V_﬩) и продольные (V_‖) составляющие скорости. Для макроскопической характеризации потоков и пучков применяются сила (I_b) и плотность силы (j_b) полно­го электрического тока, удельная мощность (w_b), плотность потока частиц (Q и Г - первичных и вторичных частиц, соответственно), сечение (ø_b) и расходимость (Δø/ø_b) пучка, пространственное ω_i(r) и энергетическое распределение частиц ω_i(E) в различных сечениях. Остросфокусированный, с достаточно малыми поперечными раз­мерами, корпускулярный пучок называют лучом, по аналогии со световой оптикой.

Для обозначения объектов, участвующих в процессе взаимодействия корпуску­лярных пучков, используется понятия «снаряда» - частицы первичного потока и «мишени» - совокупности частиц твердого тела. Масса атомный номер, и другие ха­рактеристики «снарядов» имеют индекс «1», частицы мишени - индекс «2», напри­мер – т₁, ȥ₁ и, т₂, ȥ₂ соответственно.

Физические явления, проявляющиеся в процессе корпускулярного взаимодейст­вия с твердым телом, многообразны. Одни и те же эффекты могут быть как основны­ми, так и конкурирующими («вредными») для различных процессов. Наибольший ин­терес с точки зрения технологии микро и наноэлектроники представляют электроны и ионы. На рисунке 1.1 приведена схема основных физических эффектов, происходящих в процессе взаимодействия ионного пучка с твердым телом. Схема возможных процессов для электронного пучка во многом подобна. Поэтому основные процессы электронных и ионных взаимодействий с твердым телом можно проследить на примере одной схемы.

Схема на рисунке 1.1 условно разделена на две части - области пространства про­цесса взаимодействия - «вакуум» и «твердое тело». Пучки, созданные с помощью плотной плазмы или твердой эмитирующей поверхности, направляется из источника на мишень. При распространении пучка в вакууме происходят рассеяние и плазмен­ные взаимодействия, обозначенные 1.1. Перечень физических эффектов на данной стадии включает упругое и неупругое рассеяние частиц, ионизацию и диссоциацию атомов и молекул газа, резонансную перезарядку ионов и плазменные взаимодейст­вия, приводящие к автофокусировке заряженного пучка. Взаимодействуя с мишенью, часть первичных частиц отражается обратно в вакуум (1.2). Первичные ионы и элек­троны могут «запускать» поверхностные химические реакции на мишени (1.3), моди­фицирующие свойства поверхности. Среди поверхностных явлений, которые нахо­дятся в основе широкого круга технологических процессов, следует отметить эффек­ты нитрирования, оксидизации, ионного перемешивания, которые используется в процессах упрочнения и модификации свойств поверхности. Трансформация свойств поверхностного слоя является основой проекционной и прямой литографии тополо­гий электронных схем.

Физические явления, происходящие в твердом теле мишени, имеют обозначение 2 на рис. 1.1 и разделяются на две группы, в зависимости от того какими соударения­ми они обусловлены - упругими или неупругими. Процесс взаимодействия ускорен­ных частиц, внедряющихся в твердое тело, называют торможением. Упругие взаи­модействия частиц с к мишенью приводят к ядерному механизму торможению, а не­упругие - связаны с электронным торможением. Основным результатом неупругих взаимодействий является возбуждение и ионизация атомов (2.1), а упругое торможе­ние ионов приводит к передаче импульса и смешению атомов (2.2) относительно ус­тойчивых позиций в твердотельной матрице.

Особое место занимает процесс внедрения ускоренных частиц в твердое тело. В случае электронных пучков, при достаточно высокой энергии и малой толщине ми­шени, электроны могут проникать насквозь. Если мишень имеет кристаллическую структуру, то прохождение электронного пучка приводит к дифракции на атомных плоскостях твердотельного объекта, которая используется в аналитической диагно­стике. В случае ионных пучков происходит внедрение примесных ионов (2.3) и леги­рование приповерхностной области мишени. Упругие и неупругие столкновения при­водят к радиационным эффектам, связанным с дефектообразованием, появлением до­полнительной проводимости, стимулированной диффузией и химическими реакция­ми (2.4 - 2.7), показанными на схеме рисунок 1.1.

Рисунок 1.1 – Классификация физических явлений, происходящих в процессе взаимодействия пучка ионов с твердым телом.

Упругие взаимодействия приводят к смешению атомов мишени относительно равновесных позиций. В случае ионных пучков появляются каскадные соударения атомов и выход той их части, которая менее сильно связана с мишенью. Это явление обозначено на схеме (рис.1) как физическое распыление (3.4) мишени, которое назы­вают «атомный бильярд». Совокупность вторичных потоков и излучений - из твер­дого тела в вакуум - имеет на схеме индекс «3». Вторичные потоки атомов возника­ют не только в результате распыления, но и нагрева мишени, т.е. в процессе испаре­ния (3.5). Заряженные вторичные потоки - ионов и электронов- применяются для ди­агностики свойств поверхности - 3.3 - ионно-электронная эмиссия, включая Оже-электронную эмиссию и 3.6 - вторичные ионы. Наряду с вторичными корпускуляр­ными потоками, возникают потоки фотонов, таких как 3.1 - ионная люминесценция, и рентгеновское тормозное и характеристическое рентгеновское излучение - 3.2, ко­торое широко применяется в рентгено-спектральном анализе состава твердотельных объектов.