Введение к работе
Актуальность темы. Бурное развитие микроэлектроники, а в последние годы и наноэлектроники, потребовало разработки новых технологических процессов. Микроминиатюризация, высокая степень интеграции, возрастание числа и уменьшение размеров отдельных элементов электронных устройств неизбежно приводит к совершенствованию тонкопленочной технологии.
Важнейшими операциями в технологии производства БИС и СБИС являются процессы формирования микро- и наноразмерных слоев и гетерокомпози-ций, травление и создание топологического рисунка.
Широкое применение для создания тонкопленочных устройств находят ионно-плазменные методы обработки, в том числе ионно-лучевое и реактивное ионно-лучевое травление (ИЛТ и РИЛТ), а также нанесение плёнок материалов ионно-лучевым и реактивным ионно-лучевым распылением (ИЛР и РИЛР).
Актуальной является проблема автоматизации ионно-плазменных процессов, которая не может быть решена без создания достаточно простых, точных и надежных методов контроля и управления. Проводимые в настоящее время исследования направлены на поиск и изучение физических явлений, на основе использования которых могут быть разработаны методики контроля состояния поверхности объектов обработки, устройства и оборудование для управления технологическими процессами формирования и травления тонких, сверхтонких и многослойных гетероструктур.
В процессе ионно-плазменной обработки необходимо иметь информацию о начальных стадиях зарождения пленки, образовании сплошного слоя, о составе растущего слоя, а в случае травления - о переходе от одного слоя к другому и об окончании процесса.
Анализ физических явлений, возникающих в твердом теле при ионном и электронном воздействии на поверхность, позволяет заключить, что наиболее предпочтительным для отмеченных целей является использование эффектов, свойственных самим процессам. К числу таких эффектов относится ионно-электронная, электрон-электронная эмиссия и ионно-индуцированный ток, возникающий в пленочных структурах при воздействии на них низкоэнергетических заряженных частиц.
Методы контроля ионно-плазменных процессов, основанные на анализе ионно-индуцированных и эмиссионных токов в процессе обработки, представляют научный и практический интерес. Они наиболее адаптивны к изменяющимся условиям обработки и составу материалов структур.
Практическое применение этих методов представляется перспективным вследствие использования ионных и электронных пучков в качестве инструмента как для обработки поверхности, так и для контроля состояния поверхности в процессе обработки. Применение отмеченных эффектов дает возможность разработать оперативные (in situ) неразрушающие методы контроля. Кроме того, это позволит разработать адаптивно-управляемую технологию создания тонкопленочных электронных устройств.
В настоящее время отсутствует системный подход к изучению и использованию отмеченных эффектов ионного и электронного воздействия на поверхность обрабатываемого материала.
Цель и основные задачи работы.
Цель работы состояла в исследовании и применении электрофизических эффектов низкоэнергетического воздействия ионов и электронов для эффективного управления процессами вакуумного ионно-плазменного травления и осаждения тонких пленок и гетер о структур на основе полупроводников, диэлектриков и металлов и разработке элементов технологического оборудования.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
обобщить и проанализировать электрофизические эффекты, сопровождающие электронную и ионную бомбардировку тонкопленочных структур на основе металлов, полупроводников и диэлектриков;
создать экспериментальное оборудование и разработать методики измерений ионно-индуцированных токов и токов вторичных электронов в процессе элионной обработки тонкопленочных гетероструктур;
исследовать закономерности изменения ионно-индуцированных токов и токов вторичных электронов в процессах ИЛТ и РИЛТ гетероструктур, ионной очистки поверхности подложек, формирования методами ИЛР и РИЛР тонкопленочных композиций и обработки структур электронной бомбардировкой;
построить феноменологические модели возникновения и эволюции ионно-индуцированных токов и токов вторичных электронов в процессе ионно-лучевой обработки гетероструктур;
разработать концепцию построения алгоритмического обеспечения системы управления технологическим процессом на базе адаптивных математических моделей;
разработать методики высокоточного определения момента окончания процессов ионно-плазменной обработки, исключающих негативное воздействие потоков ионов на подложку в процессах ИЛТ и нанесения пленок заданной толщины в процессах ИЛР;
создать и внедрить в серийное производство специальное вакуумное оборудование, оснащенное современными устройствами ионно-плазменной обработки и системами контроля технологических параметров, позволяющие реализовать адаптивно управляемые технологические процессы производства изделий электронной техники.
Методы исследования.
Для решения поставленных задач использовались современные методы экспериментальных исследований, в том числе Оже-спектроскопии, ВИМС, рентгеноструктурного анализа и сканирующей зондовой микроскопии. Использовались методы математического и физического моделирования, системного анализа и компьютерной обработки расчетных и экспериментальных зависимостей. Научная новизна работы.
Впервые установлены закономерности проявления электрофизических эффектов: возникновение ионно-индуцированных токов и электронной эмиссии при низкоэнергетическом воздействии ионов (до 5 кэВ) и электронов (до 0,9 кэВ) на поверхность обрабатываемых материалов: металлов, полупроводников, диэлектриков.
Впервые экспериментально показана возможность использования возникающих электрофизических эффектов для неразрушающего и оперативного контроля состояния обрабатываемой ионами и электронами поверхности в процессе травления и осаждения микро- и наноразмерных пленок и гетероструктур на их основе.
Установлены закономерности немонотонного изменения ионно-индуцированного тока в приповерхностных слоях металлов, полупроводников и диэлектриков в пределах 100-К300 нм при бомбардировке тонкопленочных материалов ионами с энергией до 5 кэВ, позволившие непрерывно контролировать процессы ионно-лучевого травления и осаждения. Показано, что изменения ион-но-индуцированного тока связаны со свойствами материала пленок, их толщиной, видом бомбардирующих ионов, их энергией и плотностью тока.
Показано, что интегральный сигнал вторичных электронов при ионно-лучевом травлении тонкопленочных гетерокомпозиций позволяет фиксировать изменение состава и состояния поверхности непосредственно в процессе ионной обработки. Теоретические и экспериментальные результаты по кинетической ионно-электронной эмиссии с поверхности металлов и полупроводников удовлетворительно согласуются друг с другом.
Установлено, что при воздействии электронов низкой энергии (до 0,9 кэВ) на поверхность твердого тела с увеличением энергии интенсивность рассеяния электронов многокомпонентных мишеней носит ступенчатый характер, связанный с механизмом резонансной эмиссии.
Предложена феноменологическая модель возникновения и эволюции ион-но-индуцированной проводимости и ионно-электронной эмиссии в процессе ионно-лучевого травления пленочных структур, учитывающая влияние сильных электрических полей и изменение коэффициента ионно-электронной эмиссии при переходе от одного слоя к другому. Практическая значимость и реализация результатов работы:
-
Разработаны методики измерения ионно-индуцированных токов и токов вторичных электронов в пленочных структурах в процессе обработки, позволяющие фиксировать момент окончания процессов ИЛТ гетероструктур диэлектрик - полупроводник (металл), диэлектрик - диэлектрик - полупроводник, металл - металл с относительной погрешностью ± 1-К2 %.
-
Разработана новая методика определения толщины диэлектриков до 500 нм с точностью не хуже ± 5 нм по изменению ионно-индуцированного тока и тока вторичных электронов в процессе формирования пленок ионно-лучевым и реактивным ионно-лучевым распылением.
-
Созданы экспериментальные вакуумные многофункциональные установки с ионно-лучевым устройством и системой оперативного контроля для реализации управляемых процессов ИЛТ, РИЛТ и нанесения пленок материалов ИЛР, РИЛР с использованием в качестве информационного сигнала ионно-индуцированного тока и тока вторичных электронов.
-
Созданы устройства контроля и управления процессами ИЛТ и нанесения пленочных структур, позволяющие фиксировать момент окончания процесса обработки с относительной погрешностью не более ±3 %.
-
Разработана методика контроля состава поверхности пленочных гетероструктур путем регистрации интегрального сигнала электронной эмиссии при
ионно-лучевом травлении, позволяющая в едином технологическом процессе безинерционно определять все стадии процесса травления: очистка поверхности, травление, переход травления от одного слоя к другому, окончание процесса травления, а также устанавливать изменение концентрации примесей, например, в пределах 2-4 ат.% водорода в a-Si:H, 3-5 ат.%, мышьяка в GaAs.
-
Разработаны аппаратура и система регистрации сигнала вторичных электронов, обеспечивающие увеличение практически в 2 раза его интенсивность в процессе ионно-лучевого травления и формирования тонкопленочных гетерокомпозиций.
-
Разработан способ контроля отклонения от заданного состава многокомпонентных пленок, содержащих кремний, основанный на анализе электрон-электронной эмиссии в процессе их формирования, позволяющий повысить воспроизводимость состава и свойств получаемых резистивных и диэлектрических пленок. Воспроизводимость состава резистивных пленок на основе сплава PC - 3710 составила по содержанию Si - 95 %, по содержанию Сг - 90 %, воспроизводимость свойств при этом находится в пределах Ар/р -1-15 %, AR/R - 0,5-1 %, Ає/єо- 1-1,5 %.
-
Разработан способ поддержания и управления давлением плазмообразую-щего газа в процессе ионно-лучевой обработки тонкопленочных гетерокомпозиций, обеспечивающий высокую (до 95 %) воспроизводимость измерений интегрального сигнала вторичной электронной эмиссии и ионно-индуцированного тока.
-
Разработан и создан ряд высокоэффективных распылительных устройств и многофункциональных вакуумных установок для ионного синтеза и обработки многокомпонентных пленок.
-
Полученные экспериментальные и теоретические результаты использованы в учебном процессе при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по направлению «Электроника и микроэлектроника» при подготовке магистров по профилю «Процессы микро- и нанотехнологии» и инженеров по специальности «Микроэлектроника и твердотельная электроника» в Московском государственном институте стали и сплавов (технологическом университете).
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Использование эффектов низкоэнергетического (до 5 кэВ) ионного воздействия на поверхность в процессе вакуумного ионно-плазменного формирования и травления тонких пленок металлов, полупроводников и диэлектриков и гетерокомпозиций на их основе (индуцированные токи, эмиссия электронов, распыление и активирование гетерогенных реакций) позволяет с высокой эффективностью управлять их химическим и фазовым составами, атомной структурой и электрофизическими свойствами.
-
Регистрация ионно-индуцированного тока в тонко пленочных гетерокомпо-зициях в процессе их ионно-плазменной обработки обеспечивает возможность использования его в качестве информационного сигнала для эффективного управления процессами очистки поверхности, определения продолжительности и окончания травления и нанесения тонких пленок.
-
Вторичная электронная эмиссия в процессе ионно-лучевой обработки поверхности слоистых материалов позволяет не только фиксировать все стадии процесса: очистка, момент окончания травления, включая переход травления от одного слоя к другому, но и изменение химического состава приповерхностной области при практически любой толщине слоев, применяемых в микро- и наноэлектронике.
-
Применение адаптивно-управляемых процессов на основе интеллектуальных систем управления позволяет обеспечить одновременный контроль нескольких технологических параметров, повысить разрешающую способность методов контроля, производительность, точность, быстродействие вакуумного ионно-плазменного оборудования.
-
Разработанные методики регистрации ионно-индуцированного тока и электронной эмиссии позволяют с высокой точностью определять момент окончания процессов ионно-плазменной обработки тонкопленочных гете-рокомпозиций.
-
Разработанные элементы и устройства технологического вакуумного оборудования с непрерывным контролем состояния обрабатываемой поверхности позволяют реализовать адаптивно-управляемые ионно-плазменные процессы нанесения и травления микро- и наноразмерных гетерокомпози-ций из металлов, полупроводников и диэлектриков с повышенной эффективностью.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: I Международной конференции «Интеллектуальные системы» (Махачкала, Россия, 1994), I и II Международном конгрессе «Новые высокие технологии для нефтегазовой промышленности и энергетики будущего» (Тюмень, Россия, 1996, 1997), Международном научно-техническом семинаре «На-пылительная техника» (Москва, Россия, 2002), V Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение» (Алушта, Украина, 2003), III и IV Международной конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе (Москва, Россия, 2003, 2004), III Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, Россия, 2003), Международной конференция «Термоэлектрики» (Санкт-Петербург, Россия, 2004), 7 International Symposium «Nanostractures», (Прага, Чехия, 2005), IV Российско-японском семинаре «Перспективные технологии и оборудование для материаловедения, микро- и нано-электроники» (Астрахань -АГУ, Россия , 2006), II Международной конференции «Перспективные технологии производства радиоэлектронных блоков на печатных платах» ( Москва, Россия, 2007), Международном семинаре «Вакуумная техника и технология» (Санкт-Петербург, Россия, 2007), 28~м заседании постоянно действующего научно-технического семинара: «Электровакуумная техника и технология», (Москва, Россия, 2007), IV Международной конференции «Микро- и нано-электроника» (Звенигород, Россия, 2007), Международной конференции «Квантовая информатика» (Звенигород, Россия, 2007), XIV Международной конференции «Вакуумная наука и техника» (Сочи, Россия, 2007), III Международная научно-техническая конференция «Вакуумная техника, материалы и технология» (Моск-
ва, Россия, 2008), XVIII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» (Нижний-Новгород, Россия, 2008). Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 52 работы в отечественной и зарубежной научной печати, в том числе 10 в изданиях рекомендуемых ВАК для публикации основных результатов на соискание ученой степени доктора наук. Получено 7 авторских свидетельств. Личный вклад автора.
Автором лично определена идеология всей работы, сформулирована цель и задачи работы, осуществлена постановка теоретических и экспериментальных исследований и их практическая реализация, проведено обобщение представленных в диссертации результатов. Отдельные результаты работы получены, опубликованы в печати, в соавторстве с сотрудниками МГИСиС, ФГУП «НИИВТ им. С.А. Векшинского», МГТУ им. Н.Э. Баумана. Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы из 206 наименований и приложений. Общий объем работы составляет 279 страниц текста, 124 рисунка на 96 страницах, 21 таблицу.
