Введение к работе
Работа посвящена разработке методов синтеза тонких структурированных наноразмерных пленок; установлению связей между структурой пленки, технологией ее получения и свойствами; исследованию этих свойств и их эволюции под воздействием эксплуатационных факторов; разработке групповых (параллельных) и последовательных прецизионных методов формирования заданного топологического рисунка в тонких пленках на основе резистных (масочных) и безрезистных литографических технологий.
Актуальность исследования. Развитие нанотехнологии и ее ориентация на практические задачи требует решения такой проблемы, как получение больших массивов упорядоченных структур в объеме и на подложке, имеющих наноразмерные структурированные компоненты хотя бы по одному измерению. Особенно это важно для создания средств, инструментов для различных отраслей приборостроения и машиностроения, предназначенных для взаимодействия, исследования и формирования объектов микро- и нанотехники, в которых требуется создание на поверхности образцов прецизионного рисунка (методы литографии), без чего невозможно дальнейшее развитие технологии интегральных схем, создание различных микро- и нанодатчиков и сенсоров, каталитических устройств, защитных покрытий, где размер минимальной области функциональных устройств по технологической норме 0,1 мкм и менее становится промышленной нормой и требует изготовления для технологических процессов оснастки (шаблоны, маски, элементы дифракционной оптики для рентгенолитографии и другие), создания металлических пленочных контактов в этих устройствах с заданной топологией в нанометровом диапазоне. Необходима разработка технологических методов формирования заданной топологии пленочных элементов, когда синтезируемая двумерная структура формируется на всей подложке или значительной ее части без потери разрешающей способности, повышая производительность технологических процессов по сравнению с базовыми.
Соизмеримость масштабов наночастиц с характерным размерным диапазоном того или иного физического явления вызывает различные размерные эффекты, а увеличенная поверхностная энергия приводит к особому состоянию материалов, находящихся в ультрадисперсном состоянии. Отдельным классом наноматериалов являются материалы с наноструктурированными поверхностями. Проведение синтеза наночастиц в неравновесных условиях стимулирует процессы самоорганизации, приводящие к появлению высокоорганизованных структур и новых свойств наноструктурированных материалов. Методы ионно-плазменной технологии, в силу высокой энергетики процесса, позволяют производить синтез пленок в условиях, инициирующих процессы самоорганизации при синтезе пленок.
Наноразмерные материалы с фрактальной структурой и уникальными свойствами, обусловленными их структурными, топологическими и морфологическими особенностями, позволяют реализовать новейшие технические и инженерные разработки, выходящие за пределы традиционных возможностей и технологий. Применение фрактального подхода в разработке различных радиолокационных и антенных устройств, компьютерных сетей и дискретных элементов уже получило промышленное внедрение
Данная работа выполнялась в соответствии с ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» приоритетного направления «Индустрия наносистем и материалов» перечня критических технологий РФ. Направление исследований лежит в рамках президентской инициативы «Стратегия развития наноиндустрии», «Концепции развития в РФ работ в области нанотехнологий на период до 2010 г.», «Перечню приоритетных направлений развития науки, технологии и техники РФ» (утвержден Президентом РФ 21 мая 2006 г.), Постановлению Правительства Российской Федерации № 498 от 2 августа 2007 об утверждении ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 – 2010 гг».
Целью работы является разработка методов синтеза наноразмерных пленок, обладающих собственной фрактальной структурой; исследование связей между их структурой, строением, технологией получения и свойствами с помощью современных аналитических методов; моделирование процессов зарождения и роста фрактальных пленок; разработка и исследование методов последующей обработки тонких пленок с целью формирования их структуры с помощью прецизионной резистной и безрезистной литографии с перспективой на переход к нанолитографии.
Цель работы определяет задачи, которые необходимо решить в процессе диссертационного исследования:
1. Разработать методы синтеза наноразмерных пленок, имеющих собственную фрактальную структуру, в условиях, обеспечивающих процессы зарождения и роста пленок на основе принципов самоорганизации.
2. Разработать модельные представления о формировании фрактальных кластеров в процессе синтеза и роста фрактальных наноразмерных пленок.
3. На основе экспериментальных исследований выбрать оптимальные режимы синтеза фрактальных наноразмерных пленок, изучить зависимость их свойств от условий получения.
4. Исследовать возможность формирования заданной структуры резистивных масочных материалов на поверхности металлических пленок под воздействием вторичной ионно-электронной эмиссии на основе тлеющего разряда для практического применения проекционной электронной литографии.
5. Исследовать возможность формирования заданной структуры органических и кремний-органических резистивных масочных материалов на поверхности металлических пленок при рентгеновском экспонировании и определить оптимальные значения длин волн экспонирующего излучения с точки зрения разрешающей способности рентгеновской литографии.
6. Разработать метод безмасочного травления металлических пленок на основе лазерного и лазерно-стимулированного химического травления для формирования рисунка на внутренней поверхности стеклянной криволинейной подложки.
Объекты исследования.
Объектами исследования являются металлические пленки с фрактальной структурой, полученные под воздействием интерференционных полей методами ионного магнетронного распыления; физические процессы, происходящие в объеме газоразрядного столба при нанесении пленок и в процессах вторичной ионно-электронной эмиссии; прозрачные для лазерного излучения полые цилиндрические образцы с нанесенными на внутреннюю поверхность тонкими пленками; органические и кремний-органические композиции, используемые в качестве резистов для прецизионной литографии. Для моделирования процессов зарождения и роста фрактальных наноразмерных пленок использовался метод ограниченной диффузией агрегации (ОДА).
Область исследования: теоретические и экспериментальные исследования фундаментальных связей состава и строения материалов на уровнях оптической, электронной и атомно-силовой микроскопии и разработка физико-механических процессов формирования структуры материала под воздействием слабых электромагнитных полей, включая влияние режимов технологических воздействий на структуру материала.
Научная новизна. Впервые применены представления о воздействии слабых электромагнитных полей на синтез материалов с фрактальной структурой. Синтезированные методом ионного магнетронного распыления (ИМР) под воздействием сложных криволинейных дифракционных решеток (КДР) тонкие наноразмерные пленки меди и титана имеют фрактальную структуру вследствие того, что процесс их синтеза происходит в открытой системе, когда образование и последующий рост зародышей происходят в иных условиях, чем при классической теории конденсации. Реализация неравновесных условий (в отличие от классических, определенных нами как равновесные) на границе раздела "подложка - наносимый материал" в условиях воздействия интерференционных полей (ИП), генерируемых в области газового разряда с помощью КДР не имеет аналогов в мировой практике.
Тонкие наноразмерные металлические пленки, имеющие фрактальную структуру, обладают физическими свойствами (взаимодействие с электромагнитным излучением, температурная зависимость электросопротивления пленок), отличными от свойств аналогичных обычных наноразмерных пленок из тех же материалов и коррелируют со свойствами КДР, применяемых для синтеза таких пленок.
На основе метода ионно-электронной эмиссии разработан метод переноса изображения с катода-маски на подложку по всей ее площади одновременно и может использоваться в групповых методах нанолитографии при условии обеспечения вторичной ионно-электронной эмиссии с нанокластеров и наночастиц.
На основе исследования процессов полимеризации и деструкции органических и кремний-органических композиций под действием рентгеновского излучения, предложены оптимальные режимы формирования масочных покрытий для целей создания заданной топологии пленочных покрытий с высокой степенью разрешения на основе групповых методов обработки для рентгеновской литографии.
Разработана математическая модель нагрева подложки при испарении металлической пленки лазерным излучением, на основе модели предложены оптимальные технологические параметры для лазерной безрезистной литографии, позволяющей вести микрообработку с тыльной стороны прозрачного для лазерного излучения образца, в том числе имеющего цилиндрическую форму. Предложены методы лазерно-стимулированного химического травления металлических пленок.
Научная новизна полученных результатов подтверждается публикацией полученных результатов в рецензируемых и реферируемых научных и научно-технических журналах России, в том числе журналах РАН и обсуждением полученных результатов на Российских и Международных конференциях, участием в программах РАН и Минобрнауки.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Интерференционные поля криволинейных дифракционных решеток сложной формы оказывают структурирующее воздействие на процессы синтеза наноразмерных пленок при ионном магнетронном и термическом вакуумном напылении, инициируя процессы самоорганизации в напыляемых структурах и стимулируя образование упорядоченных фрактальных структур.
2. Наноразмерные пленки с фрактальной структурой, полученные под воздействием интерференционных полей обладают нехарактерными оптическими, электрофизическими и механическими особенностями, определяемыми их структурой и коррелирующими со свойствами криволинейных дифракционных решеток, используемых для получения наноразмерных фрактальных пленок.
3. Метод вторичной ионно-электронной эмиссии позволяет осуществлять в условиях высоковольтного тлеющего разряда перенос рисунка с катода маски на подложку в процессах групповой прецизионной литографии.
4. Оптимальные длины волн рентгеновского излучения, перспективные в процессах рентгеновской литографии при использовании синхротронного излучения, лежат в диапазоне 0,8 - 1,4 нм.
5. Технологические режимы обработки тонких пленок, нанесенных на внутреннюю поверхность прозрачных для лазерного излучения изделий, позволяют проводить безрезистную лазерную литографию этих пленок со стороны подложки изделия любого размера. Оптимальные условия обработки достигаются при токе накачки 33-36 А, плотности мощности излучения более 2,9106 Вт/см2 и частоте импульсов менее 8 кГц.
Практическая значимость работы.
1. Тонкие наноразмерные металлические пленки, имеющие фрактальную структуру, обладают физическими свойствами (взаимодействие с электромагнитным излучением, температурная зависимость электросопротивления пленок), отличными от свойств аналогичных обычных наноразмерных пленок из тех же материалов и коррелируют со свойствами КДР, применяемых для синтеза таких пленок. Технология синтеза наноразмерных пленок, имеющих фрактальную структуру, переданная в ЗАО НПК «Аверс», использовалась для создания термозащитных покрытий поверхностей, работающих при высокой температуре, а также для получения отражающих покрытий на архитектурном стекле, преобразующих электромагнитное излучение в рассеянный сигнал интерференционного поля.
2. Тонкие наноразмерные металлические пленки, имеющие фрактальную структуру, обладают температурной зависимостью электросопротивления, отличной от свойств аналогичных обычных наноразмерных пленок из тех же материалов и позволяют изготавливать на их основе высокотемпературные термодатчики.
3. Макет устройства вторичной ионно-эмиссионной литографии и предложенные режимы изменения структуры материала резистивно-масочного покрытия при электронном экспонировании, позволяют реализовать новый тип установок групповой прецизионной литографии для формирования заданной топологии тонкопленочных элементов с высокой производительностью.
4. На основе исследования процессов полимеризации и деструкции органических и кремний-органических композиций под действием рентгеновского излучения, получены контрастно-чувствительные характеристики резистивных материалов и предложены оптимальные режимы проведения рентгеновской литографии с точки зрения повышения производительности и улучшения пределов разрешения процесса.
5. На основе математической модели нагрева подложки при испарении металлической пленки лазерным излучением предложены оптимальные технологические параметры для лазерной безрезистной литографии, позволяющей вести микрообработку с тыльной стороны прозрачного для лазерного излучения образца, в том числе имеющего цилиндрическую форму. Предложены методы лазерно-стимулированного химического травления металлических пленок. Технология передана в холдингову компанию «Ленинец», где она использована для производства узлов электростатического отклонения электронного луча на цилиндрических подложках (дефлектронов), что позволило сократить технологический цикл изготовления дефлектронов, с 8 часов до 1 часа (на одно изделие), повысить процент выхода годных приборов с 25% до 50% по сравнению с фотолитографической технологией, а также позволило использовать полученные дефлектроны при повышенных напряженностях электрического поля.
Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Автором диссертации сформулированы концепции научных направлений исследований, проведена систематизация имеющихся данных, выявлены общие закономерности и выбраны объекты исследований. Представленные в диссертации экспериментальные результаты и расчеты, выводы и обобщения соискателем получены лично. Экспериментальные исследования с применением растровой электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии выполнялись на базе СПбГТИ (ТУ), ФТИ им. А.Ф. Иоффе, ИК РАН при непосредственном участии автора.
Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались на 42 региональных, Российских и международных конференциях и семинарах.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 65 научных работ, в том числе 1 монография, 22 статьи, 42 тезиса докладов на Российских и Международных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 323 наименования. Основная часть работы изложена на 329 страницах машинописного текста. Работа содержит 19 таблиц и 155 рисунков.
