7. Автоэмиссионная электроника

8. Термическое вакуумное напыление Сущность его заключается в нагреве вещества в вакууме до температуры, при которой возрастающая с нагревом кинетическая энергия атомов и молекул вещества становится достаточной для их отрыва от поверхности и распространения в окружающем пространстве. Это происходит при такой температуре, при которой давление собственных паров вещества превышает на несколько порядков давление остаточных газов. При этом атомарный поток распространяется прямолинейно и при столкновении с поверхностью испаряемые атомы и молекулы конденсируются на ней. При испарении в замкнутой системе между испарившимися и конденсируемыми частицами устанавливается динамическое равновесие, которому соответствует равновесное давление паров (насыщенный пар). Давление насыщенного пара зависит только от температуры: p = BT-1/2exp(-C/T). Температуру, при которой давление паров вещества над его поверхностью составляет 1,33 Па, называют температурой испарения вещества. Скорость испарения вещества vисп определяется количеством частиц, покидающих в единицу времени единицу поверхности испаряемого вещества. При молекулярном режиме испарения, когда давление остаточных газов мало (менее 10-2 Па), скорость испарения зависит от давления насыщенного пара и температуры испарения. Исходя из кинетической теории газов, скорость vисп определяют таким образом. Количество частиц v, испаряющихся за 1 с с единичной поверхности твердого или жидкого тела в вакууме, =nv. После столкновения атомов паровой фазы с подложкой могут происходить три явления: адсорбция, приводящая к окончательному оседанию атома, адсорбция, приводящая к реиспарению через некоторое время, отражение сразу после столкновения. Отражение обычно имеет небольшую вероятность. Вероятность реиспарения в единицу времени.

9. Конденсация пара и образование пленочной структуры. Недостатки метода ТВН Третий этап - осаждение (конденсация) испаряемого вещества на поверхности подложки. Образующиеся тонкие пленки имеют физические свойства, существенно отличающиеся от свойств объемных образцов. При этом в процессе выращивания пленок экспериментаторы и технологи вынуждены контролировать целый ряд параметров, таких, как материал и структура подложки, ее температура, состав и давление пара, интенсивность его поступления. Чаще всего эти параметры подбирают эмпирически для получения требуемых параметров структуры и состава пленки. Процесс конденсации включает в себя следующие стадии: 1. Зарождение зерен - падающая частица после соударения с поверхностью удерживается на ней силами поляризации или химической связи. Возможно образование связанной пары. Поэтому первым этапом конденсации пленок считают адсорбцию.

2. Рост зерен - вокруг образовавшихся зерен начинают расти пространственные островки. В зависимости от температуры подложки они могут быть жидкими каплями или монокристаллами. Температура плавления островков на 2/3 меньше температуры плавления объемного материала. 3. Объединение островков. При пограничном контакте за счет разрушения границы и выделения при этом тепла островки расплавляются, а после слияния охлаждаются, образуя новый монокристалл. На монокристаллической подложке ориентация большинства островков повторяет ориентацию подложки. Межсоединения островков образуют сеть с пустотными каналами. 4. Заполнение каналов. Для каждой пары конденсат-подложка при заданной скорости осаждения существует критическая температура подложки, выше которой происходит рост кристаллически ориентированной пленки независимо от степени несовершенства исходного кристалла. Конденсация при температурах ниже критической приводит к разориентации структуры пленки и при низких температурах (порядка 1/3 температуры плавления объемного образца) получается аморфная структура.

недостатки метода ТВН, а именно: 1. Большой расход материала - конденсат осаждается не только на подложку, но и по всему объему камеры, что приводит еще и к необходимости ее регулярно чистить и дополнительно обезгаживать. 2. Невысокое качество получаемых пленок, наличие загрязнений и примесей, структурных неоднородностей. 3. Неравномерность получаемых пленок по толщине. 4. Невозможность распыления тугоплавких материалов, сплавов. 5. Невозможность распыления химических соединений. 6. Низкая адгезия получаемых пленок.

10. Ионное (катодное) напыление Като́дное распыле́ние — разрушение поверхности твердого тела при бомбардировке ее ионами. Первоначально катодное распыление наблюдалось как разрушение катодов в электровакуумных и газоразрядных приборах. Катодное распыление осуществляется высокоэнергетичными ионами, которые приобретают необходимую энергию, ускоряясь в электрическом поле, и распыляют атомы материала катода. Распыление может происходить при постоянном токе или токе высокой частоты, в среде реакционного газа или без него, с напряжением смещения или без него, с дополнительным магнитным полем. Различают физическое и реактивное катодное распыление. При физическом распылении отсутствует химическая реакция; в качестве рабочих газов используют аргон или азот. Реактивное распыление основано на введении дополнительного (реактивного) газа, который, взаимодействуя с конденсируемыми атомами на подложке, способствует получению пленок с различными свойствами. Катодное распыление, с одной стороны, нежелательное явление, уменьшающее срок службы электровакуумных приборов; с другой стороны, оно имеет практическое применение для очистки поверхностей, выявления структуры вещества (ионное травление), нанесения тонких пленок, для получения направленных молекулярных пучков.

11. Ионно-плазменное напыление Ионно-плазменное напыление-этот метод нанесения пленок является разновидностью катодного распыления, но в отличие от последнего распыление осуществляется не бомбардировкой катода возбужденными ионами тлеющего разряда, а бомбардировкой специальной мишени ионами плазмы газового разряда. Системы для ионно-плазменного напыления пленок называют трехэлектродными или триодными. Зажигание разряда осуществляют с помощью высокочастотного трансформатора Тесла, а при достаточно большом термоэлектронном токе разряд возникает сам или требуется лишь небольшое дополнительное повышение анодного напряжения. После возникновения разряда разрядный ток достигает нескольких ампер, а напряжение на аноде падает до 60-40 В, т.е. для разряда характерна падающая вольтамперная характеристика.Возникающие в разряде положительные ионы с низкой энергией бомбардируют подложку и удаляют с ее поверхности большую часть слабосвязанных загрязнений путем нагрева и «ионного травления». После этого на источник распыляемого материала (мишень) подается отрицательный потенциал. Вытягиваемые из плазмы разряда положительные ионы бомбардируют мишень с энергией, достаточной для распыления атомов материала мишени. При больших энергиях бомбардирующих ионов выбитые из мишени атомы движутся преимущественно в направлении, перпендикулярном ее поверхности, и могут быть сконденсированы на поверхности подложки, находящейся напротив мишени. Подвижный экран позволяет одновременно или последовательно предварительно очищать поверхности подложки и мишени путем распыления поверхностных загрязнений. Качество очистки поверхности мишени и особенно подложки является одним из важнейших факторов в процессе формирования пленки из конденсирующего распыленного материала.Большим преимуществом и-п н. является его универсальность-могут быть распылены металлы с различными свойствами.

12. Эпитаксия из газовой фазы . Эпитаксия - процесс наращивания слоев полупроводникового материала с упорядоченной кристаллической структурой на ориентированной пластине. Эпитаксию можно подразделить на три вида: авто-, гетеро- и хемоэпитаксию. Выращиваемые слои могут повторять структуру пластины, например при выращивании кремния на кремнии, германия на германии. Они могут отличаться по структуре, например при выращивании кремния на сапфире, кремния на шпинели, кремния на оксиде бериллия. В основе выращивания пленок из газовой фазы лежат обратимые химические реакции, то есть используется возможность изменения направления реакции в зависимости от температуры. В зоне источника химические реакции идут с образованием летучих химических соединений, содержащих кристаллизуемое вещество. Затем летучие соединения за счет конвекции переносятся в зону конденсации, где происходит обратная химическая реакция с выделением кристаллизуемого вещества.

13. Критерий Джексона По Джексону, нормальный рост и послойный определяются в условиях близких к равновесным, структурой поверхности. Джексон использует модель, учитывающую ближайшие связи, и полагает, что присоединившиеся частицы свободно располагаются на поверхности. Было вычислено изменение свободной энергии в зависимости от доли атомных мест, занятых на поверхности при равновесной температуре. Кривая 1, имеет минимум свободной энергии, – из всех возможных позиций заполнена половина, шероховатая поверхность. На кривой 3, наоборот, минимум свободной энергии отвечает случаям, когда из всех возможных мест занято либо очень мало, либо почти все – гладкая поверхность. Кривая 2 промежуточный случай. 18 Все кристаллы могут иметь шероховатые поверхности, но не у всех поверхность должна быть гладкой.

14. Жидкофазная электроэпитаксия . Эпитаксия из жидкой фазы в основном применяется для получения многослойных полупроводниковых соединений, также является основным способом получения монокристаллического кремния.Готовится шихта из вещества нар ащиваемого слоя, легирующей примеси (может быть подана и в виде газа) и металла-растворителя, имеющего низкую температуру плавления и хорошо растворяющий материал подложки.Процесс проводят в атмосфере азота и водорода (для восстановления оксидных плёнок на поверхности подложек и расплава) или в вакууме(предварительно восстановив оксидные плёнки). Расплав наносится на поверхность подложки, частично растворяя её и удаляя загрязнения и дефекты. После выдержки при максимальной температуре ≈1000С начинается медленное охлаждение. Расплав из насыщенного состояния переходит в пересыщенное и избытки полупроводника осаждаются на подложку, играющую роль затравки. Существуют три типа контейнеров для проведения эпитаксии из жидкой фазы: вращающийся (качающийся), пенального типа, шиберного типа.

15. Молекулярно-лучевая эпитаксия эпитаксия, молекулярно-лучевая сокр., МЛЭ; МПЭ (англ. molecular beam epitaxy сокр., MBE) — наращивание на подложке монокристаллических слоев полупроводниковых веществ, заключающееся в осаждении испаренных компонентов на нагреваемую монокристаллическую подложку с одновременным взаимодействием между ними.

Описание

МЛЭ — разновидность эпитаксии как одного из нанотехнологических методов получения полупроводниковых гетероструктур.

Каждый нагреватель установки МЛЭ содержит тигель, являющийся источником одного из компонентов пленки. Температура нагревателей определяется величиной давления паров испаряемых веществ, которое должно быть достаточным для формирования соответствующих молекулярных пучков. Испаряемое вещество переносится на подложку в условиях высокого вакуума. Нагреватели располагаются так, чтобы максимумы распределений интенсивности пучков пересекались в плоскости подложки. Подбор температуры нагревателей и подложки позволяет получать пленки сложного химического состава. Повышение температуры подложки до определенного предела обычно приводит к повышению качества эпитаксиальных слоев. Дополнительное управление процессом наращивания слоев осуществляется с помощью заслонок, расположенных между нагревателем и подложкой и позволяющих прерывать или возобновлять поступление любого из молекулярных пучков на подложку. Установки МЛЭ снабжены шлюзами для смены образцов м могут содержать оборудование для анализа пленок in situ методами дифракции отраженных электронов, масс-спектрометрии и оже-спектрометрии с возможностью исследования оже-спектров распыленных ионов. Метод МЛЭ с использованием масок позволяет выращивать на поверхности локальные структуры различного рельефа.

16. Методы создания и переноса рисунка. Общие понятия Литография-пр-сс созд-я или переноса геом. Рисунка (топологии) на пов-ть подложки. После разраб-ки архит-ры и моделир-я электрич-й схемы будущей микросхемы формир-т ее топол-й рис-к. Рисунок каждой топологии переносят на шаблоны-плоскопараллельные пластины из прозрач-го металл, на кот-х создан рисунок,состоящий из сочет-я прозрачных и непрозрачных для активного излуч-я участков, образующих топологию одного из слоев структуры прибора,многократно повторенных в пределах активного поля пластины.. Структ-ры и эл-ты будущей интегр-й схемы получ-т последовательным переносом топологич-го рисунка с каждого шаблона,уровень за уровнем и слой за слоем, на поверхность подложки и созданием соотв-й стр-ры. Для формиров-я изобр-я на поверхности подложки использ-т спец. Материалы – резисты,чувствительные к активному излучению и наносимые на поверх-ть подложки. После обраб-ки активным излуч-м пленка резиста претерпевает физ.-хим. изменения,вслед-е кот-х становится устойчивой к возд-ю агрес-й среды. Термин «перенос рисунка» относ-ся к переводу рисунка,созданного маскирующим слоем,на пленку или подложку с использованием хим. и физ. методов,обеспечивающих формир-е поверхностного рельефа. Методы переноса рисунка подразделяются на субтрактивные и аддитивные. Суб-й метод заключ-ся в осаждении пленки,литографическом покрытии ее маскирующим слоем с рисунком и удалении травлением немаскированных участков пленки. При адд-м методе на подложку сначала наносится маскирующий слой,в кот-м создается рисунок соответствующей поверхности конфигурации,после чего на маску и не защищенные ею участки подложки осаждается путем селективного травления маскирующего слоя,так что пленка,покрывающая маску,будет поднята и удалена с поверхности подложки.

17. Литографические резисты. Их основные характеристики Резисты органические материалы, чувствительные к воздействию какого-либо излучения: оптического (фоторезисты), рентгеновского (рентгенорезисты), потока электронов или иного (электроно- или ионорезисты). Применяют в литографии для формирования заданного рельефного рисунка на поверхности печатной формы и ее защиты от воздействия травителей.

18. Фотолитография Фотолитогра́фия — метод получения определённого рисунка на поверхности материала, широко используемый в микроэлектронике и других видах микротехнологий, а также в производстве печатных плат. Один из основных приёмов планарной технологии, используемой в производстве полупроводниковых приборов.

Суть процесса фотолитографии сводится к тому, что вначале на обрабатываемую поверхность наносится тонкая фоточувствительная полимерная пленка (фоторезист). Затем эта пленка засвечивается через фотошаблон с заданным рисунком. Далее проэкспонированные участки удаляются в проявителе. Получившийся на фоторезисте рисунок используется для таких технологических этапов планарной технологии, как травление, электроосаждение, вакуумное напыление и другие. После проведения одного из этих процессов оставшийся, не удаленный при проявлении, фоторезист также удаляется.

Принципиальное отличие фотолитографии от других видов литографии заключается в том, что экспонирование производится светом (видимым или ультрафиолетовым), тогда как в других видах литографии для этого используется рентгеновское излучение (рентгеновская литография), поток электронов (электронно-лучевая литография) или ионов (ионно-лучевая литография) и другое.

Наименьшие размеры деталей рисунка, достижимые в фотолитографии (разрешение), определяются: длиной волны используемого излучения, качеством применяемой при экспонировании оптики, свойствами фоторезиста и достигают 100 нм. Применение специальных методов (иммерсионная литография) теоретически позволяет получить разрешение до 11 нм

19. Рентгеновская литография Рентгеновская литогра́фия — технология изготовления электронных микросхем; вариант фотолитографии, использующий экспонирование (облучение) резиста с помощью рентгеновских лучей. Рентгеновская литография использует мягкое рентгеновское излучения с длиной волны 0.4-5.0 нм. Пучок рентгеновских лучей пропускается через шаблон и экспонирует слой резиста. Оптическими элементами рентгеновских литографических установок могут быть отражающие зеркала (рефлекторы) на основе наногетероструктур со слоями Ni-C, Cr-C, Co-C, Mo-C, W-C и зонные пластинки; в качестве шаблонов используются тонкие (1 мкм и меньше) металлические мембраны. Многослойные рентгеновские зеркала обеспечивают брэгговское отражение при условии d = λ/(2sinΘ), где d — период структуры и Θ — угол скольжения. При перпендикулярном падении излучения Θ = 90° и период d = λ/2, поэтому толщина каждого слоя в рентгеновском зеркале равна примерно λ/4 или 1 нм.

Рентгенолитография, как и оптическая литография, осуществляется путём одновременного экспонирования большого числа деталей рисунка, но коротковолновое рентгеновское излучение позволяет создавать рисунок с более тонкими деталями и более высоким разрешением.

Благодаря малой длине волны рентгеновского излучения методы рентгенолитографии обладают высокой разрешающей способностью (~ 10 нм). По сравнению с электронно-лучевой и ионно-лучевой литографией в рентгеновской литографии малы радиационные повреждения формируемых структур и высока производительность благодаря возможности одновременной обработки больших площадей образца. Рентгеновская литография отличается большой глубиной резкости и малым влиянием материала подложки и её топографии на разрешающую способность.

20. Источники мягкого рентгеновского излучения для рентгеновской литографии Рентгеновская литография является разновидностью оптической бесконтактной печати, в которой длина волны экспонирующего облучения лежит в диапазоне 0.4 - 5 нм. Несмотря на то, что при рентгеновской литографии используется бесконтактная экспонирующая система, проявление дифракционных эффектов уменьшено за счет малой длины волны рентгеновского излучения.Основная причина разработки метода рентгеновской литографии заключалась в возможности получения высокого разрешения и в то же время высокой производительности оборудования. Кроме того, за счет малой величины энергии мягкого рентгеновского излучения уменьшается проявление эффектов рассеяния в резистах и подложке, следовательно, нет необходимости в коррекции эффектов близости.Поскольку рентгеновские лучи практически не поглощаются загрязнениями, состоящими из компонентов с малым атомным номером, то наличие загрязнений на шаблоне не приводит к возникновению дефектов рисунка на резисте. Кроме того, вследствие низкого поглощения рентгеновского излучения рентгеновский резист большой толщины может быть однородно экспонирован на всю толщину, в результате чего в его объеме у окон формируются вертикальные стенки, точно повторяющие рисунок шаблона.Так как изготовление рентгеновских оптических элементов связано с определенными трудностями, применение рентгеновской литографии ограничено теневой печатью. Разрешение, получаемое при использовании метода рентгеновской литографии, ограничено геометрическими эффектами. Рентгеновская литография обеспечивает наилучшие условия для достижения субмикронного разрешения при высокой производительности обработки пластин. При использовании существующих резистов и рентгеновских источников пластины полностью могут быть экспонированы за 1 минуту с разрешением <0.5 мкм

21. Использование синхротронного излучения и его преимущества Синхротронное излучение - это электромагнитное излучение электронов или позитронов, ускоряемых в циклических ускорителях 1) непрерывный спектр от инфракрасного до рентгеновской области; • 2) высокая интенсивность; • 3) острая направленность; Преимущества перед ренгеновским излучением

1)Можно исследовать более тонкие слои вещества

2)Проводить анализ неставильных веществ

3)Широкий спектр излучения от глубокого УФИ до

глубокого ИФИПолучение синхротронного

излучения

Синхротронное излучение получают с помощью ускорителей

22. Электронная литография. Проекционная и сканирующая Электро́нная литогра́фия или электро́нно-лучева́я литогра́фия — метод нанолитографии с использованием электронного пучка.

Остросфокусированный электронный пучок, отклоняемый магнитной системой, прорисовывает нужные конфигурации на поверхности чувствительного к электронному облучению резиста, нанесенного на подложку. Управление электронным пучком производится изменением токов в отклоняющих магнитных системах, управляемых компьютером. При проекционной электронолитографии используется вакуумная камера, внутри которой расположена электронная пушка. Электронная пушка представляет собою трехслойный фотокатод. Основу фотокатода составляет кварцевая пластина, которая прозрачна для ультрафиолетовых лучей. На поверхности кварцевой пластины в масштабе 1:1 образован рисунок из слоя, непрозрачного для ультрафиолетового излучения (хрома, диоксида титана). Поверх этого слоя нанесена пленка материала с высокой фотоэмиссией (палладий, иодид цезия). Фотокатод со стороны кварцевой пластины облучают ультрафиолетом, вследствие чего с участков противоположной стороны, не покрытых маскирующей пленкой, излучаются фотоэлектроны. Далее они ускоряются электрическим полем и с помощью фокусирующей системы проецируют изображение фотокатода на слой электронорезиста. Возможно проекционное экспонирование с уменьшением. При уменьшении размеров элементов возрастает время экспонирования, так как луч небольшого сечения возможно получить только при маленьких токах луча.

Сканирующая электронная литография осуществляется сфокусированным электронным лучом. Теоретически возможно получить луч диаметром около 1 нм, но из-за несовершенства фокусирующих систем, его диаметр значительно больше.

При растровом сканировании луч перемещается по всей поверхности кадра. Он включается и выключается в нужных местах в зависимости от запрограммированной топологии.

Более производительным является метод векторного сканирования: луч перемещается, включается и выключается только в местах, соответствующих элементу топологии.

Основными преимуществами методов сканирующей электронной литографии является: высокая разрешающая способность (0,2...0,3 мкм), которая ограничена свойствами электронорезистов; точность совмещения 0,05 мкм, возможность корректировки эффектов, вызванных искривлением пластин.

Основной недостаток этих методов – низкая производительность вследствие большого времени экспонирования. При уменьшении диаметра луча необходимо снижать его ток и увеличивать количество строк сканирования.

23. Электронно-оптическая система для электронной литографии. Совмещение . Для непосредственного создания рисунка на шаблоне или подложке исп-ся сканирующие сис-мы,управляемые ЭВМ,кот-я задает прог-му перемещ-я остросфокусированного пучка электронов по поверх-ти подложки,управляет электронно-оптической системой формирования и настройки луча и обеспечивает прецизионное совмещение фрагментов изображения. Перемещ-е сфокусированного электронного пучка может осущ-ся растровым или векторным способом. Для формир-я электронного луча исп-ся электронно-оптическая сис-ма, выполненная в виде электронно-оптической колонны. Сис-ма состоит из термокатода, венельта(электрод,служащий для формир-я прикатодного облака электронов),двух диафрагм,уменьшающей линзы,гасящего электрода, проекционной линзы, ЭОС (электронно-лучевая отклоняющая система), и подложки. Для соответствия отдельных фрагм-в рисунка общему изобр-ю применяются методы совмещения. Для этого каждый фрагмент рисунка, соотв-й одному растру электронного луча снабжен спец-ми реперными метками – участками пов-ти, отличающимися по каким-либо физич-м св-м от остальных уч-в и сохраняющими эти отличия во время всех технологических операций изготовления микросхемы. Необх-мо,чтобы эти отличия были распознаваемы с помощью инструментальных аналитических методов. Чаще всего в роли реперных знаков выступают геом. Фигуры из золотой пленки или вытравленные в подложке канавки особой конфигурации, легко распознаваемые инстр-ми методами. При взаимод-ии электр-го луча с ТВ. телом происх-т различные пр-ссы,кот-е могут использ-ся для идентиф-ции реперных меток.

24. Модель Каная в электронной литографии В 1969 г. японский физик Каная, основываясь на идеях физика Томлина, которые тот высказал еще в 1913 году и уже тогда они вызывали сомнение, чего Каная не заметил, предложил первую модель, согласно которой электронный пучок проходил через слой резиста 1 не взаимодействуя с ним и углублялся в подложку 2, также с ней не взаимодействуя, двигаясь прямолинейно и без потери энергии до некоторой гипотетической глубины x_d, достигнув которой электроны начинают расходится диффузно и изотропно по всему объему сферы, как это показано на рис.3.

Терять энергию электроны начинают монотонно и только после достижения ими глубины x_d., что собствено и предложил Томлин. Вследствие потерь энергии та часть электронов, которая продолжает двигаться прямолинейно в первоначальном направлении, проникнет в подложку до некоторой глубиныx_r, где электроны и локализуются вследствие потери энергии при проникновении в вещество подложки. Эту результирующую глубину проникновения Каная предложил вычислять по формуле:

, (2

Рис. 3 Модель Каная. 1 - резист, 2 - подложка

25. Модель прямого рассеяния в электронной литографии Основана на предположении,что электроны,входя в резистную пленку,претерпевают рассеяние на малые углы перед входом в подложку. Это расс-е предполагается полностью упругим и потери энергии электроном игнорируются. Модель предполаг-т,что после акта рассеяния электрон начинает сразу же терять энергию. Среедний потенциал ионизации атомов в ЭЛГ трактуется как энергия,необх-я для осущ-я одного акта полимеризации или деструкции.