Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Московский государственный институт электронной техники

(технический университет)

___________________________________________________________

Кафедра «Микроэлектроника»

В.К.Сырчин

Лабораторный практикум

по курсу «Математическое моделирование процессов и устройств»

по направлению 210100 «Электроника и наноэлектроника»

профиль 210107.65 «Электронное машиностроение»

Москва - 2011

Оглавление

Лабораторная работа № 1 Моделирование внутрикамерного устройства для процесса нанесения пленок с кольцеобразным источником материала 3

1.1 Теоретические сведения 3

1.1.1 Общие сведения о моделируемом объекте 3

1.1.2. Постановка задачи 6

1.1.3. Построение геометрической модели 8

1.1.4. Математическая модель процесса осаждения пленки 10

1.2 Лабораторное задание 18

1.2.1 Техническое оснащение 19

1.3 Методика выполнения работы 19

1.3.1 Требования к отчету 21

1.3.2 Инструкция по работе с программой «MAGNA» 22

1.3.3 Контрольные вопросы 27

Лабораторная работа № 2 Моделирование системы ионного травления с ионным источником и ионно-оптической системой 28

2.1 Теоретические сведения 28

2.1.1 Общие сведения 28

2.1.2 Постановка задачи 30

2.2 Моделирование системы травления 31

2.2.1 Конструктивная схема системы обработки 31

2.2.2 Геометрическая модель ИОС 31

2.2.3 Классификация параметров ИОС 34

2.2.4 Математическая модель ИОС 34

2.3 Лабораторное задание 38

2.3.1 Техническое оснащение 38

2.4 Методика выполнения работы 38

2.4.1 Требования к отчету 41

2.4.2 Инструкция по работе с программой «IOS» 41

2.4.3 Контрольные вопросы 43

Лабораторная работа № 1 Моделирование внутрикамерного устройства для процесса нанесения пленок с кольцеобразным источником материала

Цель работы: 1) освоить методику моделирования оборудования для нанесения пленок материалов в вакууме по критерию равномерности по толщине; 2) провести оптимизацию конструкции осесимметричного стационарного внутрикамерного устройства с магнетронной распылительной системой (МРС) с помощью компьютерной программы «MAGNA».

Продолжительность работы – 7 ч.

1.1 Теоретические сведения

1.1.1 Общие сведения о моделируемом объекте

Установки вакуумного нанесения (УВН) пленок относятся к базовому виду технологического оборудования (ТО), определяющему качество современных изделий микроэлектроники и микросистемной техники. В частности, УВН должны обеспечивать нанесение пленочных покрытий с заданными электрофизическими характеристиками и высокой равномерностью по толщине при изготовлений тонкопленочных элементов микросхем. Качество пленок зависит от множества факторов и определяется как технологическими, так и конструктивными параметрами УВН. Поэтому в общем случае моделирование УВН по критериям качества наносимых пленок представляет собой весьма сложную задачу с большим количеством взаимосвязанных параметров.

Для проектирования ТО в условиях использования САПР разработчику необходимы достаточно эффективные и адекватные модели, т.е. обладающие возможностью реализации в приемлемое время при имеющемся объеме машинной памяти и с требуемой точностью описывающие реальную моделируемую систему. Поэтому при создании модели устройства и реализуемого с его помощью процесса необходимо конкретизировать задачу путем определения критериев оптимизации и выделения параметров, в наибольшей степени влияющих на достижение поставленной цели.

Применительно к процессу нанесения пленок в условиях производства полупроводниковых ИС одним из важнейших критериев оптимизации является равномерность наносимой пленки по толщине. Это связано с групповым методом производства, когда на одной пластине изготавливаются одновременно десятки кристаллов, и неоднородность полученной пленки приводит к неравномерности обработки на последующих операциях формирования тонкопленочных элементов микросхем, а следовательно, к разбросу параметров кристаллов, находящихся на различных участках пластины, и их браку.

Проектировщику УВН на этапе моделирования необходимо выбрать наиболее эффективный и перспективный метод нанесения пленки материала, а также оптимальное конструктивное решение внутрикамерного устройства для реализации данного метода. В настоящее время в связи с переходом на пластины большого диаметра (до 200 мм и более) наиболее рациональной становится поштучная обработка пластин с индивидуальным оперативным контролем за ходом процесса обработки. Повышение же степени интеграции ИС и переход на субмикронные размеры элементов существенно повышают требования по снижению привнесенной дефектности, одной из причин которой является пылегенерация при загрузке, выгрузке и транспортировке пластин. Это требует создания чистых (с минимальной пылегенерацией) механизмов и устройств УВН, манипулирующих пластиной, а также сокращения перегрузок и перемещений пластины в процессе обработки и при ее загрузке-выгрузке.

Учитывая вышеизложенное, можно отметить, что одной из рациональных компоновок внутрикамерных устройств УВН является конструкция, обеспечивающая нанесение качественной пленки с высокой равномерностью по толщине на неподвижную пластину, при этом требуемое качество и равномерность пленки обеспечиваются за счет оптимизации положения пластины относительно источника материала и его конструктивных и технологических параметров.

В настоящее время одним из наиболее перспективных методов нанесения пленок является магнетронное распыление материалов, относящееся к высокоэффективным методам ионно-плазменного распыления материалов в вакууме. Распыление осуществляется потоком высокоэнергетических ионов, бомбардирующих поверхность распыляемого материала, источником которых является высокоинтенсивная плазма аномального тлеющего разряда, локализованная непосредственно у распыляемой поверхности с помощью сильного магнитного поля, формирующего замкнутую магнитную ловушку для плазмы в виде области скрещенных электрического и магнитного полей.

Схематично конструкция магнетронной распылительной системы (МРС) показана на рис. 1.1. МРС состоит из водоохлаждаемого катодного блока 1, на котором с обеспечением хорошего теплового и электрического контакта установлена мишень 2 из распыляемого материала. Под катодным блоком находится магнитная система 3, а вблизи мишени - анодный блок 4. Между катодным и анодным блоками подается напряжение постоянного тока (или высокочастотное) от источника питания 5. Обрабатываемая пластина 6 устанавливается над распыляемой мишенью на подложкодержателе 7. Магнитная система формирует вблизи мишени замкнутое магнитное поле, силовые линии которого 8 в общем случае проходят через мишень и имеют форму дуги (арочное магнитное поле).

МРС работает следующим образом. После откачки рабочей камеры до высокого вакуума (для обеспечения чистоты процесса), напуска рабочего газа (обычно аргона высокой чистоты) до требуемого рабочего давления (0,1 - 1,0 Па) между катодным и анодным блоками МРС подается напряжение (400 - 600 В в режиме постоянного тока или ВЧ напряжение при распылении диэлектрических и высокоомных материалов). В результате зажигается плазма аномального тлеющего разряда (см. рис. 1.1, поз 9), которая локализуется у поверхности мишени магнитным полем, что обеспечивает высокую степень ионизации и плотность плазмы. Ионы плазмы, ускоряясь электрическим полем до высоких энергий, бомбардируют мишень и интенсивно ее распыляют. Зона распыления на мишени имеет вид замкнутой дорожки и определяется конфигурацией и величиной магнитного поля, формируемого магнитной системой. Ширина зоны распыления примерно соответствует расстоянию между полюсами магнитной системы. Распыленные в зоне эрозии мишени атомы материала пролетают расстояние между мишенью и подложкодержателем и конденсируются на обрабатываемой пластине, формируя на ней пленочное покрытие.

МРС обладает рядом существенных достоинств: высокими скоростями осаждения пленок (до 60 нм/с), сравнительно невысокими рабочими напряжениями (менее 1 кВ), низкими рабочими давлениями (0,1 Па и ниже), незначительным тепловым и радиационным воздействием на обрабатываемые структуры. Кроме того, возможность выбора самой разнообразной конфигурации и размеров зоны распыления на мишени путем подбора соответствующей формы и размеров магнитной системы позволяет наносить высококачественные пленки на пластины различной формы и размеров. Все это явилось причиной того, что в современном ТО для нанесения пленок МРС является основным видом технологических устройств, встраиваемых в существующие и вновь разрабатываемые УВН.