Введение к работе
Диссертационная работа посвящена исследованию и разработке методов и средств повышения технического и эксплуатационного уровня элементной базы специализированного и общенаучного электронно-лучевого и ионно-лучевого оборудования, обладающего высокой разрешающей способностью и формирующего пучки заряженных частиц в широком диапазоне ускоряющих напряжений с минимальными размерами сечения, обеспечивающего исследование материалов, контроль за технологическими процессами и осуществляющими формирование микроструктур.
Актуальностьработы.
Одним из важнейших направлений повышения качества изделий электронной техники и изделий ряда смежных отраслей, основанных на использовании сложных физических процессов является применение высокоэнергетичных или низкоэнергетичных заряженных частиц для осуществления технологических процессов, а также для неразрушающего контроля за технологическими процессами, с высокой чувствительностью, разрешающей способностью и степенью автоматизации. Промышленная реализация современных технологий требует постоянного повышения технического уровня аналитического и технологического оборудования за счёт совершенствования его элементной базы. Научно-техническая перспектива дальнейшего развития современных технологий обусловлена развивающимися потребностями потребительского рынка. В связи с этим непрерывно будет развиваться производство микроэлектроники, наноэлектроники, микромеханики, а также создание структур с различной степенью интеграции и миниатюризации. Будут проводиться всесторонние исследования различных материалов. В соответствии с этим исследование и решение новых -теоретических и прикладных задач, направленных на совершенствование электроннолучевого и ионно-лучевого оборудования и приборов, участвующих в новейших технологических процессах, в том числе, и как средства диагностики и контроля представляется акт уальным.
Цель изадачиработы
Цель и задачи работы состоят в проведении теоретических, экспериментальных и расчетно-конструкторских работ, направленных на расширение возможностей и повышение технического уровня электронно-лучевого и ионно-лучевого оборудования и приборов микроэлектроники и наноэлектроники.
Для достижения этой цели в работе поставлены и выполнены следующие задачи:
проведён анализ применения электронно- и ионно-лучевого оборудования для исследования материалов и контроля физических свойств изделий микроэлектроники с целью определения дальнейшего направления исследований и развития элементной базы электронно-и ионно-лучевого оборудования и приборов;
выбраны наиболее эффективные методы и алгоритмы численного моделирования электронных линз (магнитопровода и обмотки возбуждения магнитных электронных линз, работающих как при низких ускоряющих напряжениях (до 100В), так и при очень высоких -до 5 MB; электростатических линз - иммерсионных и одиночных, используемых в ионно-лучевых установках, электронных и ионных пушках; линз с наложенными полями);
выполнены теоретические и экспериментальные исследования влияния эволюции конфигурации магнитопровода и положения обмоток возбуждения на распределение магнитной индукции в немагнитном зазоре магнитных электронных линз;
проведено исследование влияния взаимного расположения электродов и полюсных наконечников в линзах с наложенными электростатическими и магнитными полями на параметры формируемого пучка заряженных частиц;
выполнены теоретические (аберрационные) исследования систем динамической фокусировки пучков; разработаны и исследованы системы обеспечения оптимальных условий
динамической фокусировки пучков заряженных частиц, в рабочей камере в процессе электронной литографии и измерения линейных размеров элементов НС, а также в ЮМ для контроля электрофизических свойств полупроводниковых приборов на промежуточных стадиях их изготовления с целью расширения их информативности;
осуществлён синтез структуры и проведены теоретические и экспериментальные исследования ионно-оптических систем с целью создания ионно-дучевых установок для размерной обработки и ионно-дучевой литографии;
проведены теоретические и экспериментальные исследования и разработка электронно-оптических систем (магнитных и электростатических) с возможностью изменения вдоль оптической оси формы распределения напряжённости поля для обеспечения постоянства увеличения объектива при динамической фокусировке пучков;
разработан алгоритм расчета напряжённости магнитного и электрического полей в объективах с управляемым изменением и перемещением этого поля для сохранения фокусировки при сканировании пучка;
разработан алгоритм поиска вариантов возможных оптимальных решений при выборе типа электронной линзы (магнитной, электростатической и линз с наложенными полями) при проектировании электронно-лучевого и ионно-лучевого оборудования.
проведен комплекса работ по совершенствованию элементной базы электроннолучевого и ионно-лучевого оборудования в соответствии с современными требованиями, направленных на повышение качества проектируемого электронно- и ионно-лучевого оборудования и приборов.
Методы исследования
В работе использованы современные методы теоретических, численных и экспериментальных исследований, в том числе с использованием методов как физического, так и математического моделирования. Оценка точности получаемых данных проводилась путём сравнения численных результатов с результатами экспериментальных исследований и расчётами по известным методам.
Научная новизнаработы
-
Выполнено комплексное исследование электронных магнитных (с насыщением и без насыщения), электростатических линз (иммерсионных и одиночных) и линз с наложенными полями (с ускорением и замедлением электронов), позволившее выявить наиболее оптимальные варианты конструкций, разработать и рекомендовать к применению конструкции линз, обеспечивающих повышение качества специализированного электронно- и ионно-лучевого оборудования. Сформулированы рекомендации и предложены новые технические решения по совершенствованию элементной базы. Перспективные технические решения внедрены при создании новой электронно-лучевой и ионно-лучевой техники.
-
Впервые iii.iiio. шеи анализ влияния эволюции конфигурации магнитопровода и расположения катушек возбуждения на электронно-оптические характеристики магнитных линз.
-
Впервые предложен алгоритм поиска вариантов возможных решений при выборе конструкции электронной линзы (магнитной, электростатической и линз с наложенными полями) при проектировании электронно-лучевого и ионно-лучевого оборудования и созданы условия для его осуществления.
-
Впервые предложен и разработан алгоритм расчёта напряжённости магнишого и электрического полей в многощелевых объективах с управляемым изменением и перемещением этого поля для сохранения фокусировки при сканировании пучка;
-
Впервые дан полный аберрационный анализ систем динамической фокусировки пучков и разработан алгоритм расчета напряжённости магнитного и электрического полей в объективах с управляемым перемещением максимума поля для сохранения фокусировки при сканировании пучка;
-
Предложен и теоретически обоснован принципиально новый метод формирования синтезируемых электромагнитных полей, с заданными свойствами в локальных областях вдоль оптической оси, для управляемого изменения формы напряжённости поля при динамической фокусировке электронных и ионных пучков.
-
Впервые предложена конструкция объектива с перемешаемым максимумом напряжённости поля.
Практическая значимость работу
Исследованы возможности и сформулированы рекомендации по улучшению характеристик элементной базы электронно- и ионно-лучевого оборудования. Выполненный комплекс расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, позволяет модернизировать широко используемое специализированное и разрабатывать новое высокоэффективное электронно- и ионно-лучевое оборудование микроэлектроники.
Разработан метод и алгоритм анализа вариантов возможных конструктивных решений при выборе электронной линзы (магнитной, электростатической и линз с наложенными полями) при проектировании электронно-лучевого и ионно-лучевого оборудования. Это позволяет существенно сократить затраты на проектирование электронно-лучевых и ионно-лучевых устройств различного назначения. Оценивать возможности эксплуатируемого оборудования. Ряд электронных линз внедрён в эксплуатируемое оборудование.
Анализ систем динамической фокусировки позволил выявить возникающие дополнительные аберрации и наметить путь их устранения.
Разработанный и предложенный метод управления формой и положением распределения индукции магнитного поля магнитной линзы и напряжённости электрического поля электростатической линзы вдоль оптической оси позволяет создавать принципиально новые системы фокусировки пучков. Использование этого метода позволяет значительно улучшить технические характеристики электронно-лучевого и ионно-лучевого оборудования.
На защиту выносятся:
1. Комплекс расчетно-теоретических и экспериментальных работ, по выявлению
влияния конструктивных параметров электронных (ионных) линз магнитных (с насыщением
и без насыщения), электростатических (иммерсионных и одиночных) линз и линз с наложен
ными полями (с ускорением и замедлением электронов) на электронно-оптические характе
ристики, и выбору варианта конструктивного решения, обеспечивающего повышение каче
ства специализированного электронно- и ионно-лучевого оборудования, позволяющего мо
дернизировать элементную базу специализированного электронно- и ионно-лучевого обору
дования.
-
Результаты теоретического исследования влияния на электронно-оптические характеристики ЭОС, формирующих низкоэнергетичные пучки электронов, наложения электрических полей на магнитные поля.
-
Алгоритм поиска вариантов возможных оптимальных решений при выборе типа электронной линзы (магнитной, электростатической и линз с наложенными полями) при проектировании электронно-лучевого и ионно-лучевого оборудования.
-
Принципиально новый метод динамической фокусировки, обеспечивающий предотвращение расфокусировки электронного луча объективом при динамической фокусировке.
-
Принципиально новый метод и конструктивное исполнение линз с управляемым изменением формы распределения индукции магнитного поля в магнитной линзе и напряжённости электрического поля в электростатической линзе вдоль оптической оси.
-
Принципиально новый метод и алгоритм расчёта напряжённости магнитного и электрического полей в многощелевых объективах с управляемым изменением и перемещением этого поля для сохранения фокусировки при сканировании пучка;
Внедрениерезультатов
Результаты диссертационной работы использованы при разработке и модернизации новых типов электронно-лучевых и ионно-лучевых установок и приборов в НИИ электронной и ионной оптики ГУЛ «НПО»Орион», а так же использованы в научно-исследовательских работах и учебном процессе МИЭМ.
Апробация работы
Результаты работы обсуждались на: «Всероссийских семинарах по проблемам теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», «Российских конференциях по электронной микроскопии», «Российских симпозиумах по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твёрдых тел», «Международных конференциях по фотоэлектронике и приборам ночного видения», «Научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ» и др.
Публикации
Материал диссертации, в основном, опубликован в журналах: «Известия РАН. Серия физическая», «Прикладная физика», «Оборонный комплекс научно-техническому прогрессу России», Труды МИЭМ.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, 6-ти глав, заключения, выводов и списка цитированной литературы (132 наименований). Общий объём работы: 247 страниц, 122 рисунков и графиков, 14таблиц. "
