Методическое пособие 557

Канал с радиусом Rк периодически перекрывается жидкой пленкой, сквозь которую электроны пучка проходят с малыми потерями (см. рис. 5.3). Энергия потока электронов затрачивается, в основном, на испарение материала у основания канала - в результате в нем еще более возрастает давление паров. Непосредственно после вскипания материала концентрация частиц пара возрастает до 1016-1018 см-3. Она достигает критического значения, вызывая разрыв пленки, когда часть парового потока ионизируется, и становятся возможными электронно-плазменные взаимодействия. Результатом этих взаимодействий, как и многократных упругих взаимодействий электронов, является размытие потока и рассеяние электронов на боковые стенки. При рассеянии их до 90 - 95 % от общего потока энергии пучка тратится на образование жидкой фазы. Жидкая фаза вытесняется вверх реактивной силой паров и снова замыкает канал в его верхней части. Вследствие периодичности процессов внутри канала наблюдается волнообразный характер его сечения по глубине. При критическом давлении пара перед разрывом пленки пучок отдает в вещество наибольшую энергию, зона теплового воздействия расширяется.

На определенном этапе рассматриваемого процесса может проявляться эффект ионной фокусировки электронного пучка, когда ионизированная паровая компонента действует как электростатическая линза.

Врежиме «кинжального» проплавления ширина швов b уменьшается пропорционально величине √ уск.

Внекоторых технологических процессах весьма существенным может оказаться тепловое воздействие на области, примыкающие к «кинжальному» каналу. В этих граничных областях возникают высокие градиенты температуры, а тепловая волна имеет малую протяженность. С целью снижения температуры нагрева прилегающих областей целесообразно использовать импульсные режимы обработки.

180

6.3.4. Термическая размерная электронно-лучевая обработка

К термической размерной электронно-лучевой обработке относится группа способов микрообработки, при которых в результате локального нагрева, плавления или испарения материала происходит перестройка структуры или изменение формы облучаемого участка. Примерами такой обработки могут служить получение отверстий или пазов с заданным профилем, бесконтактная резка дефицитных и труднообрабатываемых материалов, фрезерование, полировка и т.д. Главная особенность размерной электронно-лучевой обработки заключается в том, что ее ход и результаты определяются не механическими свойствами материала, как при традиционных способах, а его теплофизическими свойствами. Это изменяет характер обработки, а иногда (например, для хрупких, пластичных и твердых материалов) расширяет ее технологические возможности.

Размерная обработка материалов выполняется с помощью сфокусированных потоков электронов с плотностями мощности q > 106 - 108 Вт/см2. Размерная обработка основана на том, что при достаточно большой удельной поверхностной мощности скорость испарения обрабатываемого материала и давление пара возрастают настолько, что весь жидкий металл с потоком пара выбрасывается из зоны обработки. Строгое дозирование подводимой энергии осуществляется импульсным воздействием электронного луча на поверхность или его перемещением по поверхности с заданной скоростью.

Можно выделить три режима размерной электроннолучевой обработки:

1.Моноимпульсный режим - обработка ведется одиночным импульсом, т.е. отверстие получают за время действия одного импульса.

2.Многоимпульсный режим - отверстие получают воздействием на заданное место заготовки несколькими импульсами.

181

3. Режим обработки с перемещением электронного луча по заготовке с заданной скоростью.

Электронный луч нашел применение в первую очередь для размерной обработки твердых материалов - алмазов, кварца, керамики, кристаллов кремния и германия.

Особой разновидностью размерной электронно-лучевой обработки является перфорация (получение мелких сквозных отверстий) различных материалов. Этим способом изготовляют металлические и керамические элементы фильтров, пористый материал для охлаждения камер сгорания и лопаток турбин.

Этот вид обработки используется для формирования планарных изображений, подгонки номиналов элементов тонкопленочных схем, обработки изделий микроэлектроники на основе ряда материалов: Si, Ge, керамики, ферритов, керметов и т.д. Мощность установок для этих целей в непрерывном режиме обычно не превышает 1 кВт, а в импульсном - 15 кВт. Длительность импульсов выбирают в диапазоне 0,1 мкс - 1 мс, реализуя моноимпульсный или многоимпульсный режим. Результат размерной обработки зависит от теплофизических свойств материала (температуры плавления, теплопроводности, удельной теплоемкости и плотности). Профиль канала обработки и его диаметр определяют выбором параметров процесса (плотности мощности q, длительности импульса tимп, тока импульса Iи и положения фокуса относительно поверхности).

В основе термической обработки лежат процессы уноса материала в результате испарения, взрывообразного выброса расплава или квазисублимации. Вместе с тем для обработки материалов, обладающих специфическими свойствами, можно использовать их непосредственный переход из твердой фазы в газообразную или удаление продуктов их разложения при последующем травлении в агрессивной среде. Достаточно широко применяют также способы обработки, основанные на тепловых превращениях при кратковременном локальном перегреве и последующем быстром остывании облученного участ-

182

ка. Короткое время пребывания материала в нагретом состоянии способствует существенному изменению микроструктуры обрабатываемой области (например, уменьшению размеров зерен, отжигу дефектов, разрушению сегрегаций и т.д.) и часто сопровождается появлением у материала нужных физикохимических свойств.

Все процессы, лежащие в основе различных методов термообработки, интенсивно протекают лишь при нагреве до температур, превышающих некоторое пороговое значение. Поэтому геометрия обработки определяется, в основном, той граничной поверхностью в объеме образца, на которой достигнута пороговая температура. Чтобы локализовать эту область, необходимо свести к минимуму распространение теплоты за ее пределы, т.е. обеспечить малую продолжительность воздействия электронного пучка в каждой точке. Для этого часто используют импульсный режим облучения. Можно также непрерывно перемещать пучок вдоль поверхности по заданному контуру обработки с достаточно большой скоростью.

Современное состояние технических средств позволяет получать при термической размерной обработке поверхности шероховатостью около 5 мкм и допусками на размеры ± 5 мкм.

Для многих отраслей промышленности и в первую очередь, для микроэлектроники особый интерес представляет возможность размерной обработки пленок и покрытий, толщина которых не превышает 10 - 100 нм. Задачей такой обработки является селективное удаление отдельных участков пленки без заметного повреждения подложки. Добиться этого не так просто, так как даже при использовании минимально возможных для размерной обработки ускоряющих напряжений (20 - 50 кВ) глубина проникновения электронов значительно превосходит толщину пленки, и основная часть тепловой мощности выделяется именно в подложке.

Рассмотрим, что происходит на поверхности пленочной системы при увеличении удельной мощности электронного пучка. До тех пор, пока эта мощность не превышает некоторо-

183

го предела, нагрев образца еще не сопровождается уносом материала и может приводить лишь к различным фазовым переходам в пленке или подложке. При дальнейшем росте температуры материал пленки начинает плавиться. Если расплав плохо смачивает подложку, он начинает растекаться под действием сил поверхностного натяжения, собираясь в капли. Этот эффект можно использовать для размерной обработки, однако качество такой обработки будет невысоким из-за наростов застывших расплавов на поверхности. Если еще больше увеличить подводимую энергию, то испарение расплавленного материала будет происходить до того, как он успеет собраться в капли, что предпочтительнее для размерной обработки, поскольку дальнейшее повышение мощности сопровождается испарением материала подложки.

Как и при обработке массивных образцов, для выполнения условий квазиадиабатичности нагрева используют либо импульсный режим, либо быстрое перемещение луча вдоль поверхности по заданному рисунку. Последний способ применяется гораздо чаще, так как им можно обрабатывать большие участки поверхности с высокой скоростью. Размер полей отклонения пучка в установках, предназначенных для обработки пленок, значительно больше обычного и может достигать десятков см2. Для оперативного контроля за ходом обработки в таких условиях можно использовать не только растровые методы, но и контроль изменения свойств пленки (например, ее проводимости) в процессе облучения. Мощность установок в большинстве случаев не превышает 100 Вт.

6.4. Нетермические электронные процессы и технологии

Взаимодействие электронных пучков с химическими соединениями приводит к возбуждению или ионизации молекул. Следствием этих процессов могут быть такие химические реакции, при которых образуются новые химические соединения или изменяются молекулярные связи. Материал, подвергнутый облучению пучком электронов, приобретает новые или

184

количественно измененные химические и физические свойства. С точки зрения возможных химических реакций и их кинетики существует тесное сродство электронно-лучевых химических процессов с фотохимическими. Однако у последних перенос энергии ограничивается интервалом 3 - 6 эВ в зависимости от квантов применяемого излучения, так что фотохимическим путем можно лишь возбудить молекулы и атомы в этом диапазоне энергий. Достичь более высоких уровней возбуждения, а тем более ионизации, с помощью фотохимических процессов невозможно. В результате же лучехимических процессов возникает ионизация, которая в большинстве случаев приводит к гораздо большему разнообразию возможных реакций.

Электроны пучка, взаимодействуя с облучаемым веществом, на первом этапе вызывают возбуждение или ионизацию молекул. Возникающие ионы или молекулы в возбужденном состоянии из-за избытка энергии не могут быть стабильными; в результате цепочки реакций, следующих друг за другом, образуются стабильные молекулы, свободные радикалы и ионы. В первом случае процесс на этом заканчивается. Образование же свободных радикалов и ионов дает начало множеству других реакций. Вид реакций, протекающих в конкретных случаях, очень сильно зависит от рода облучаемого вещества и от внешних условий реакции таких, как давление и температура. Эти условия определяют химические, а с ними и физические изменения вещества, которых можно достичь, облучая его электронным лучом.

6.4.1. Реакции, индуцированные радикалами

Реакции, начинающиеся после образования радикалов, составляют важнейшую основу лучехимических процессов. Эти реакции могут быть следующих типов:

-распад молекул (например - деполимеризация);

-замещение (например - хлорирование);

185

- укрупнение молекул (например - полимеризация, сополимеризация, образование сетчатых молекул).

Для технологического использования лучехимических процессов особенно важна кинетика реакции. В качестве примера может быть рассмотрена упрощенная кинетическая модель лучевой полимеризации. Она состоит из реакции старта, роста и обрыва цепей. Радикалы, необходимые для старта цепей, могут возникать при воздействии электронного пучка, как на мономер, так и на молекулы растворителя и на уже образовавшиеся полимеры. Две последние из названных возможностей оказываются весьма существенными для повышения скорости реакций старта. В фазе роста цепочки радикал присоединяется к мономеру, в результате чего возникает большая частица, которая также имеет характер радикала и способна к следующему присоединению. Вероятность обрыва, а с ней и средняя длина цепи зависят от подвижности молекул полимера, а следовательно, и от вязкости облучаемого вещества. Рекомбинация радикалов уменьшает скорость реакции полимеризации, а дополнительные реакции обрыва цепей понижают степень полимеризации, т.е. среднюю длину цепей. При чрезвычайно высокой концентрации радикалов скорость полимеризации в конце концов перестает зависеть от скорости образования радикалов.

Кинетика реакций определяет зависимость между количеством поглощенной энергии, необходимым для лучехимического превращения, и плотностью поглощаемой мощности. Путем целенаправленного выбора состава реагирующей смеси, например, при химическом электронно-лучевом отверждении лака, удается повысить скорость реакции и привести её в соответствие с требованиями процесса.

Мерой расхода энергии облучения, необходимого для определенного лучехимического превращения, является доза D. Единицы её измерения - рад или более удобная для практики единица - Мрад. 1 Мрад = 106 рад = 104 Дж поглощенной энергии облучения на 1 кг поглощающей массы.

186

Соответственно, мощность дозы L - это доза, поглощенная за единицу времени: L=dD/dt.

Полимеризация и образование сетчатых молекул ведут к увеличению средней молекулярной массы соединения, а расщепление молекул - к его уменьшению. Молекулярная же масса, со своей стороны, определяет поведение соединения в соответствующем растворителе. Уменьшение молекулярной массы приводит к возрастанию скорости растворения, и наоборот. Если род материала и соответствующая ему энергия выбраны такими, что в веществе преобладают либо процессы полимеризации и образования сетчатых молекул, либо расщепление молекул, то обработанные участки отличаются от необработанных своей скоростью растворения.

Другой химический электронно-лучевой эффект, так же основанный на полимеризации и образовании сетчатых молекул, заключается в консолидации слоя. Поверхность твердого тела, помещенного в газообразную среду, всегда покрыта тонким слоем адсорбированного вещества, чаще всего, мономолекулярным. Если среда содержит пары полимеризуемого соединения, а поверхность подвергается воздействию электронного пучка, то происходит полимеризация молекул, адсорбированных на поверхности. Это снижает концентрацию молекул пара на поверхности и немедленно компенсируется дальнейшей конденсацией. Таким образом, в зоне действия электронного пучка образуется полимерный слой, толщина которого возрастает со временем обработки. Заметим, что именно этот эффект является причиной образования нежелательных примесных слоев на рабочих поверхностях электроннолучевых установок, откачиваемых паромаслянными вакуумными насосами.

Когда паровая среда состоит, например, из металлоорганических соединений, расщепляющихся под действием электронного пучка на летучие компоненты и нелетучий остаток, то в образовании такого слоя участвует только нелетучая компонента. В зависимости от состава паровой среды можно получать таким путем диэлектрические, полупроводниковые и

187

электропроводные слои. Приращение толщины слоя за единицу времени, т.е. скорость роста слоя, определяется удельной поверхностной мощностью, передаваемой в молекулярный слой, и скоростью конденсации. Поэтому у рассматриваемой системы «пар - подложка» на скорость роста толщины слоя можно влиять, изменяя параметры электронного пучка, давление пара и температуру подложки. Так как толщина адсорбированного слоя, составляющего около 0,1 нм, весьма мала по сравнению с глубиной проникновения электронов, удельный расход энергии при таком способе очень велик.

Еще один электронно-лучевой эффект, основанный на диссоциации галогенидов серебра, заключается в чернении фоточувствительных слоев. Так, для осаждения слоя серебра толщиной 0,8 мкм требуется доза 10-2 Кл/см2. К осаждению SiO2 и Si3N4 приводит облучение силанов электронным лучом.

6.4.2. Электронно-стимулированное травление

Электронно-лучевые процессы требуют больших доз (более 1 Дж/см2, 10-2 Кл/см2) по сравнению с фотостимулированными реакциями, но их можно использовать, как возможный способ травления кремния. Для различных диэлектриков было исследовано увеличение скорости травления после бом-

бардировки (BEER-bombardment enhanced etching rate), когда кремний или диэлектрик с радиационными дефектами травится в плазме или жидкостном травителе значительно быстрее (более чем в 3 раза) по сравнению с необлученной областью. Для проведения BEER-процессов требуются большие дозы. Поэтому эффективность использования электронного пучка снижается при ужесточении требований на разрешение (менее 2 мкм). В последнее время стали применять установки экспонирования широким пучком с фотокатодом. Фотокатод в виде пленочного рисунка из Ti на стекле излучает электроны при УФ-облучении. Рисунок кристалла проецировался на кремниевую пластину. Время экспонирования кристалла было снижено

188

с часов до минут, однако фотокатодные системы имеют малое время жизни фотокатода и низкую точность совмещения.

Основным критическим параметром в BEER-процессах является глубина проникновения и расплывание падающего пучка. В большинстве случаев электронный луч выступает в роли локализованного источника тепла, вызывающего физические и термохимические превращения в тонких пленках. Прямая обработка кремниевой пластины электронным лучом возможна при дозах свыше 1 Кл/см2. При энергии пучка 25 кэВ наименьшая область, которую можно расплавить, имеет размер порядка 10 мкм, тогда как при 50 - 100 кэВ этот размер в 2 - 3 раза больше. Сканирование непрерывным пучком может быть использовано для осаждения аморфного кремния из паров его соединений.

6.4.3. Электронно-лучевая литография

Наиболее широкое применение нетермические лучевые методы нашли в микроэлектронике для создания элементов микронных и субмикронных размеров. До недавнего времени размеры элементов в микроэлектронных устройствах были не более 2 мкм, их успешно изготовляли в массовом производстве методом оптической литографии. С переходом к элементам субмикронного диапазона возникает ряд ограничений в использовании этого метода. Использование ускоренных электронных потоков в качестве технологического инструмента взамен световых привело к возникновению нового процесса - электронной литографии. В 1967 году электроннолучевую технологию было предложено использовать в качестве экономичного и быстродействующего генератора фотошаблонов для специализированных ИС. Рисунок фотошаблона формировался на помещенной у экрана электронно-лучевой трубки пластинке, покрытой светочувствительной эмульсией. В 1968 году электронно-лучевое экспонирование впервые было использовано не для изготовления фотошаблона, а для непосредственного экспонирования резиста на схемной плате.

189