Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Наноразмерное профилирование методом фокусированных ионных пучков при формировании элементов микро- и наносистемной техники 15
1.1. Методы наноразмерного профилирования в технологии изготовления элементов микро- и наносистемной техники 15
1.2. Наноразмерное профилирование методом фокусированных ионных пучков при создании элементов микро- и наносистемной техники 21
1.3. Теоретические основы наноразмерного профилирования методом фокусированных ионных пучков 29
1.4. Выводы и постановка задачи 40
ГЛАВА 2. Моделирование процессов наноразмерного профилирования поверхности подложек методом фокусированных ионных пучков 43
2.1. Исследования разупорядоченного слоя приповерхностной области подложек при воздействии ионов 43
2.2. Математическая модель формирования рельефа поверхности подложек при травлении фокусированным ионным пучком 47
2.3. Выводы 67
ГЛАВА 3. Исследование режимов ионно-лучевого травления методом фокусированных ионных пучков 68
3.1. Исследование влияния режимов ионно-лучевого травления на геометрические параметры формируемых структур 68
3.2. Исследование влияния режимов ионно-лучевого травления и сканирования на отклонение профиля формируемых структур 76
3.2.1. Исследование влияния режимов ионно-лучевого травления на отклонение профиля формируемых структур от заданного
3.2.2. Исследование влияния режимов сканирования ионного пучка на отклонение профиля 78
3.3. Исследования влияния режимов ионно-лучевого травления на точность переноса топологического рисунка шаблона 83
3.4. Исследования влияния режимов ионно-лучевого травления на шероховатость поверхности структуры 87
3.5. Выводы 91
ГЛАВА 4. Формирование чувствительных элементов макетов туннельно-эмиссионных наномеханических акселерометров методом фокусированных ионных пучков 93
4.1 Разработка способа и комплекса программного обеспечения для генерации растровых шаблонов для безмасочного структурирования поверхности подложек методом фокусированных ионных пучков 93
4.2. Исследование разработанного комплекса программного обеспечения 105
4.3. Формирование чувствительных элементов макета туннельно-эмиссионного наномеханического акселерометра методом фокусированных ионных пучков 110
4.3.1. Разработка комплекта шаблонов и определение технологических параметров формирования чувствительных элементов туннельно эмиссионных наномеханических акселерометров методом
фокусированных ионных пучков 112
4.4. Разработка технологического маршрута изготовления чувствительных элементов туннельно-эмиссионного наномеханического акселерометра методом фокусированных ионных пучков 117
4.5. Исследование чувствительного элемента макета туннельно-эмиссионного акселерометра 120
4.6. Выводы 123
Заключение 125
Список сокращений 127
Список используемых источников
- Наноразмерное профилирование методом фокусированных ионных пучков при создании элементов микро- и наносистемной техники
- Математическая модель формирования рельефа поверхности подложек при травлении фокусированным ионным пучком
- Исследование влияния режимов ионно-лучевого травления на отклонение профиля формируемых структур от заданного
- Формирование чувствительных элементов макета туннельно-эмиссионного наномеханического акселерометра методом фокусированных ионных пучков
Наноразмерное профилирование методом фокусированных ионных пучков при создании элементов микро- и наносистемной техники
Туннельно-эмиссионные датчики используют экспоненциальную зависимость протекающего тока от расстояния между двумя электродами [14-16]. В основе этой зависимости лежит квантово-механический туннельный эффект, который заключается в способности электронов преодолевать потенциальные барьеры, высотой больше энергии проходящих частиц [16, 17]. Явление туннельного эффекта описывается с использованием модели энергетических состояний свободных электронов в металле.
Согласно данной модели, электронный газ внутри проводника считается свободным, т.е. энергия электронов описывается формулой Е = —, где р 2т г импульс электрона, аm- его масса. В туннельный ток основной вклад вносят электроны, имеющие наибольшую энергию, т.е. находящиеся на близких к уровню Ферми уровнях. Вблизи поверхности металла, т.е. около границы металл -диэлектрик, электроны проводимости движутся поблизости от края потенциальной ямы, которая для них служит потенциальным барьером, высота этого барьера определяется величиной работы выхода фв.
Во время сближения двух проводников на расстояние, меньше которого волновые функции электронов, покинувших потенциальные ямы, затухают, происходит туннельный контакт металл - диэлектрик - металл [16, 17].
При наличии внешнего напряжения (напряжения смещения V) в такой системе между двумя различными металлами может возникать протекание туннельного тока [16-19]. Если напряжение смещения небольшое (eV « фв), то величина тока 1тун прямо пропорциональна приложенному напряжению: lTyH = Voe-aJteX, (1.1) где / н - туннельный ток, а - константа, равная 1.025(А_1еК"0-5), фв -эффективная высота барьера, V0 - величина смещения между электродами, х -ширина зазора. Данное соотношение определяет зависимость туннельного тока от ширины барьера х как экспоненциальную [20]. Из зависимости (1.1) следует, что при увеличении ширины туннельного барьера на 1 уменьшается величина туннельного тока на порядок [21-23].
Небольшие размеры области протекания туннельного тока обеспечивают туннельным датчикам высокий потенциал миниатюризации. Туннельно-эмиссионные акселерометры имеют высокую чувствительность к смещению при характерном расстоянии между электродами 1-5 нм, рабочем токе 1 нА и напряжении 0,1 В [24, 26-28].
Одной из основных операций изготовления туннельно-эмиссионных акселерометров является формирование зазора между подвижными электродами [6, 7, 24]. Высокоинтенсивное развитие полупроводниковой промышленности и микромеханики, наблюдаемое в последние годы, ведет к поиску новых путей решения проблемы формирования туннельного зазора контролируемого размера. К основным методам создания нанометрового туннельного зазора относятся: электронно-лучевая литография, оптическая литография (ультрафиолетового диапазона), рентгеновская литография, нанопечатная литография, СЗМ-литография, профилирование методом ФИП [26-28].
В настоящее время в технологиях микро- и наноэлектроники превалируют литографические методы субмикронного профилирования поверхности [26, 29].
Оптическая литография является методом профилирования поверхности твердых тел, основанный на переносе изображения элементов шаблона при помощи источника специального излучения и системы линз на подложку, которая покрыта слоем фоторезиста и последующем травлении или нанесением материала через промежутки в слое фоторезиста [30, 31].
В промышленности, на современном этапе её развития, оптическая литография – это основной метод планарной технологии, используемый в производстве полупроводниковых приборов. Разрешающая способность данного метода определяется как толщиной слоя фоторезиста, так и длиной волны экспонирующего излучения. С целью достижения наибольшей разрешающей способности используют источники ультрафиолетового (УФ) излучения с длинами волн (193 – 248) нм и менее [32] и экстремального ультрафиолетового (ЭУФ) излучения с длиной волны 13,5 нм, которые позволяют получить разрешающую способность порядка 7-14 нм [33-35]. Тем не менее, дальнейшее применение данных технологических процессов для уменьшения размеров формируемых элементов невозможно в связи с накладываемыми физическими ограничениями оптической литографии [36, 37]. Таким образом, основные проблемы оптической литографии в настоящее время заключаются в ограничении длиной волны экспонирующего излучения разрешающей способности, а также в сложности перехода к экстремальному УФ - излучению.
Электронно-лучевая литография (ЭЛЛ) - это технология изготовления наноразмерных структур с помощью фокусированного электронного луча [32, 41 43]. С помощью технологии электронно-лучевой литографии возможно достижение разрешения 4-5 нм [42]. Основными сферами применения этой технологии являются: формирование элементов субмикронных структур в микро и наноэлектронике, шаблонов для оптической литографии, прототипов субмикронных структур в процессе научных исследований [43, 45]. Метод электронно-лучевой литографии обладает набором преимуществ по сравнению с остальными методами профилирования поверхности: достаточно высокой разрешающей способностью, обработка пластин без применения шаблонов и резистов различной толщины. Однако, существуют следующие недостатки электронно-лучевой литографии, препятствующие более широкому промышленному внедрению данной технологии: недостаточная производительность процесса, сложность и дороговизна оборудования, невозможность уменьшения разрешающей способности ввиду эффектов близости [44-46].
Математическая модель формирования рельефа поверхности подложек при травлении фокусированным ионным пучком
При разработке технологических процессов профилирования методом ФИП важной задачей является прогнозирование эффектов в области воздействия ионов, основанное на расчете параметров и моделировании процессов взаимодействия ФИП с различными материалами [89-92, 95]. С точки зрения технологии, важным является оценка глубины проникновения имплантированных ионов Ga+ и толщины аморфизированного слоя в различных материалах.
Расчет профилей распределения имплантированных ионов Ga+ в материал подложки применялся метод стохастического моделирования, в основе которого лежит алгоритм Монте-Карло [95, 97]. В настоящей диссертационной работе для моделирования данным методом использовалось свободно распространяемое ПО SRIM 2013 [95]. Расчеты проводились для материалов подложки: кремний, алюминий и оксид кремния. Выбор материалов обусловлен их широким использованием в технологии изготовления изделий микро - и наносистемной техники в качестве положки, изолирующих, проводящих, жертвенных слоев и т.д. [98].
Расчеты профилей распределения ионов Ga+ в подложке выполнялись при следующих технологических параметрах ионного пучка: ускоряющее напряжение 5-30 кэВ, ток пучка 50 пА, угол падения ионного ионов 0-60, время воздействия ионного пучка в точке 1 мкс и 1000 ионов галлия. Выбор такого количества падающих ионов обусловлен оптимальным соотношением времени расчета и достоверности полученных результатов. Моделирование производилось методом полного расчета каскадов атомных столкновений [95], параметры ионного воздействия варьировались пошагово. Выбор значений технологических параметров был осуществлен на основании значений технических характеристик оборудования, использующегося в экспериментальной части работы и реализующего метод ФИП. При выбранных значениях технологических параметров и диаметре ионного пучка 12 нм величина ионной дозы 1012 см-2.
Значения величины проективного пробега () и толщины разупорядоченного слоя () являются постоянными для соответствующих значений энергии и соотношений ион/подложка [91, 99]. Для рассматриваемых материалов Si, SiO2, Al и ионов Ga+ величины проективного пробега, отклонения проективного пробега () и толщины разупорядоченного слоя приведены в таблице 2.1.
Полученные результаты позволяют оценить максимальную концентрацию ионов галлия и глубину залегания её для выбранных материалов подложки. Результаты проведенных расчетов (таблица 2.1) позволяют провести оценку толщины разупорядоченного слоя. На рисунке 2.2 представлены зависимости толщины разупорядоченного слоя от энергии ионного пучка для различных материалов. Рисунок 2.2 – Зависимость толщины разупорядоченного слоя от энергии ионного пучка для выбранных материалов подложки
Анализ показывает, для выбранных материалов и выбранных значений энергии ионного пучка 5-30 кэВ, толщина разупорядоченного слоя составляет 2,5-9,5 нм соответственно. Эти значения необходимо учитывать при решении задачи формирования элементов МЭМС и НЭМС с соизмеримыми размерами. При этом энергия ионов для выбранных материалов в указанном диапазоне значений энергии слабо влияет на значение максимальной концентрации внедренного галлия. 2.2. Математическая модель формирования рельефа поверхности подложек при травлении фокусированным ионным пучком
Профиль рельефа, возникающий на поверхности подложки в результате многократного воздействия ФИП, определяется комплексом физических эффектов и технологических параметров ФИП (ток, ускоряющее напряжение, время воздействия в точке), режимами сканирования (направление и порядок сканирования, overlap), а также параметрами материала подложки и эффектами, возникающими при взаимодействии ионов с материалом подложки (флуктуациями скорости распыления, аморфизацией приповерхностного слоя и переосаждением распыленных атомов и др.). Разработка математической модели, позволяющей прогнозировать геометрические характеристики рельефа подложки, полученного травлением методом фокусированных ионных, требует учёта всей группы перечисленных факторов.
Ионно-лучевое травление методом фокусированных ионных пучков представляет собой дискретный процесс. Ионный пучок перемещается от одной точки к другой по заданной траектории в пределах указанной области. Режимы и технологические параметры поточечного перемещения ионного пучка при травлении описаны в разделе 1.3. Разбиение площади воздействия на дискретные точки с указанием необходимого числа проходов пучка по этой площади осуществляется при помощи специализированных шаблонов, которые формируются оператором оборудования. В процессе ионно-лучевого травления результирующая геометрия формируемой структуры может быть представлена как результат суперпозиции воздействия множества отдельных ионных пучков. Скорость ионно-лучевого травления определяется интенсивностью воздействия ФИП на подложку в каждой точке шаблона. Основной вклад в геометрию структуры вносит распределение интенсивности потока ионов по диаметру пучка. Как отмечается в разделе 1.1.7, распределение потока ионов в фокусированном ионном пучке наиболее точно описывается законом распределения би-Гаусса, при этом профиль ФИП описывается выражением
Исследование влияния режимов ионно-лучевого травления на отклонение профиля формируемых структур от заданного
При формировании структур методом ФИП важно заранее оценить возможное отклонение профиля формируемой структуры от заданного. С целью исследования зависимостей отклонения полученного профиля от заданного, была разработана методика, основанная на наложении АСМ-профилограммы отдельной структуры на изображения заданного профиля и расчете отношения их площадей (рисунок 3.8): f0TK = 100- -100%, (3.1) где f0TK - отклонение профиля формируемой структуры от заданного, 5П0Л -площадь сечения полученной структуры, 5зад - площадь сечения заданной структуры. Т.к. сформированные структуры являются квадратными, то такое двумерное представление их профилей может характеризовать и объемное отклонение реального профиля от заданного. Рисунок 3.8 – Схема расчета отклонения реального профиля от заданного На основе применения разработанной методики получены зависимости отклонения профиля от времени воздействия пучка в точке (рисунок 3.9) и тока ионного пучка (рисунок 3.10).
Анализ представленной зависимости показывает увеличение значения отклонения реального профиля от заданного при увеличении тока ионного пучка. При этом использование токов выше 1 нА не представляется возможным для формирования субмикронных структур и подходит только для задач изготовления более крупных структур.
Рисунок 3.10 – Зависимость отклонения профиля структуры от времени воздействия ФИП в точке при различных токах ионного пучка После проведения анализа полученных зависимостей (рисунки 3.9, 3.10) можно сделать вывод, что наибольшая точность формирования структур методом ФИП (отклонение 12%) наблюдается при времени воздействия ФИП в точке от 0.1 до 10 мкс и токе до 100 пА. Последующее увеличение времени воздействия ФИП в точке снижает точность переноса топологии, заложенной в рисунке шаблона, на поверхность кремниевой подложки. Это объясняется усилением влияния эффекта переосаждения, т.к. с увеличением времени воздействия в точке снижается количество проходов ФИП.
При малом (1-10) количестве проходов ФИП и времени воздействия ионного пучка в точке (свыше 500 мкс), распыленный материал не удаляется с поверхности структуры, а переосаждается на соседних с областью травления областях подложки. При увеличении глубины формируемой структуры распыленный материал начинает осаждаться на стенки формируемой структуры. Для минимизации этого эффекта при малых количествах проходов ФИП были проведены экспериментальные исследования по выявлению зависимости влияния режимов сканирования пучка на характер и выраженность эффекта переосаждения. Для этого на подложке Si травление массива квадратных структур размером 5х5 мкм производилось по шаблонам, загруженным из stream-файлов, которые создавались с использованием разработанного комплекса программного обеспечения, описанного в разделе 4.1. Один шаблон использовался для формирования одной структуры. Всего было использовано 11 stream-файлов, содержащих 62500 точек - по 250 на сторону структуры. Как известно [77, 80], stream-файлы позволяют задать направление сканирования ионного пучка по точкам шаблона при травлении по нему (раздел 1.3). В данном разделе были использованы варианты режимов сканирования ФИП из таблицы 4.3: - от периметра к центру растр; - от центра к периметру растр; - от центра к двум сторонам растр; - слева направо серпантин; - случайная линия растр; - случайная линия серпантин.
На основании результатов экспериментальных исследований (разделы 3.1, 3.2.1) время воздействия составило 5000 мкс, количество проходов 1, ток 500 пА. Сторона каждого квадрата составила 5 мкм. На рис 3.11 представлены РЭМ-изображения наиболее характерных сформированных структур. д) е)
РЭМ-изображения сформированных структур при различных направлениях сканирования: от центра к периметру растр (а), от периметра к центру растр (б), от центра к двум сторонам растр (в), слева направо серпантин (г), случайная линия растр (д), случайная линия серпантин (е) Как видно из рисунка 3.11, характер распределения переосажденного материала и его количество сильно зависят от режима сканирования ионного пучка по поверхности подложки во время травления по шаблону. Это подтверждается и проведенными исследованиями полученных образцов методом АСМ (рисунок 3.12).
Продолжение рисунка 3.12 – АСМ-изображения и АСМ-профилограммы тестовых структур при различных режимах сканирования: от центра к двум сторонам растр (в), слева направо серпантин (г), случайная линия растр (д), случайная линия серпантин (е) На основании полученных результатов можно сделать вывод, что использование stream-файлов со случайным порядком перебора строк при сканировании ионным пучком по подложке позволяет минимизировать эффект переосаждения, добиться отклонения профиля на уровне 7% против 55 % для стандартных режимов сканирования; является оптимальным при режимах травления с количеством проходов ионного пучка до 10 и большим ( 1000 мкс) временем воздействия ионного пучка в точке.
3.3. Исследования влияния режимов ионно-лучевого травления на точность переноса топологического рисунка шаблона
Для исследования влияния тока ФИП на точность переноса топологического рисунка шаблона на подложку был проведен эксперимент, в котором формировался растровый графический шаблон формата .bmp, содержащий массив из 50 структур-квадратов с размерами от 10х10 нм до 800х800 нм. Ионно-лучевое травление подложки Si производилось при ускоряющем напряжении ионного пучка 30 кэВ, времени воздействия в точке 10 мкс и токах ионного пучка 1 пА, 10 пА, 30 пА, 50 пА, 100 пА, 300 пА, 500 пА, 1 нА и 3 нА. Далее проводилось исследование морфологии поверхности методом РЭМ с последующим измерением геометрических размеров сформированных структур (рисунок 3.13), с использованием специального программного обеспечения, поставляемого в комплекте с прибором.
Формирование чувствительных элементов макета туннельно-эмиссионного наномеханического акселерометра методом фокусированных ионных пучков
Таким образом, исследования показали, что разработанный способ и комплекс ПО позволяют повысить точность формирования структур травлением методом ФИП и сократить время их разработки и создания. Дополнительным достоинством предложенных способа и комплекта ПО является возможность корректировки уже сформированных структур на основе учета их АСМ-профилограмм с целью устранения недостатков предыдущих технологических операций.
В рамках прикладных научных исследований (проекта) «Разработка методов проектирования и создания перспективных многоосевых интегральных микро- и наномеханических гироскопов и акселерометров с использованием плазменных и лазерных технологий поверхностной микрообработки для микрооптоэлектромеханических систем» по Соглашению с Минобрнауки России № 14.575.21.0045 от 30.06.2014 по Федеральной Целевой Программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы» коллективом НОЦ 111 «Нанотехнологии» Южного Федерального Университета были проведены исследования, разработка и изготовление туннельно-эмиссионного наномеханического акселерометра (НМА) (рисунок 4.9) [105-109]. Разработанный наномеханический акселерометр: а) - 3D модель; б) - фотография; в) – РЭМ-изображение после 3-5 фотолитографии.
При выполнении указанной ПНИ Громов А.Л., автор данной диссертационной работы, решал задачу разработки технологии формирования чувствительного элемента макета туннельно-эмиссионного наномеханического акселерометра методом фокусированных ионных пучков. Коллективом был разработан базовый технологический маршрут изготовления, разработанного интегрального двухосевого наномеханического акселерометра [105-110]: 1. Очистка подложки кремния штатным методом (RCA). 2. Нанесение изолирующего слоя нитрида кремния толщиной 0,6 мкм методом плазмохимического осаждения. 3. Нанесение слоя проводящего поликристаллического кремния толщиной 0,2 мкм методом плазмохимического осаждения. Формирование неподвижных электродов емкостных преобразователей перемещений. 4. Нанесение жертвенного слоя (диоксид кремния) толщиной 1,0-1,5 мкм методом плазмохимического осаждения. Вскрытие окон под области опор упругого подвеса инерционной массы и якорных областей электростатических актюаторов и емкостных преобразователей перемещений. 5. Формирование предохранителей с целью снижения вероятности прилипания структурного слоя к подложке путем травления жертвенного слоя. 6. Нанесение структурного слоя проводящего поликристаллического кремния толщиной 1,5-2,0 мкм методом стимулированного плазмохимического осаждения. 7. Формирование структуры микромеханического устройства методом жидкостного химического травления или плазмохимического/ионного травления поликремния. 8. Вскрытие окон под контактные площадки. Нанесение слоя Al толщиной 0,5 мкм методом магнетронного распыления или электронно-лучевого напыления. Формирование контактных площадок с последующим отжигом. 9. Удаление жертвенного слоя (освобождение структурного слоя) методом жидкостного химического травления (а также с использованием сухого плазмохимического травления в индуктивно-связанной плазме). 10. Формирование чувствительных элементов (подвижной и неподвижной консолей и зазора между ними в каждом из них). Ключевой операцией в изготовлении туннельно-эмиссионного наномеханического акселерометра является создание структур чувствительных элементов и зазора между ними, который должен обеспечивать стабильное протекание туннельного тока. Для достижения требуемых величин зазора (до 3-5 нм) в рассматриваемом маршруте использован метод фокусированных ионных пучков. Определяющим фактором является использование оптимальных результатов, определенных с помощью разработанной математической модели (глава 2) и проведенных исследований (глава 3) технологических параметров и режимов травления ФИП, а также применения растровых шаблонов, созданных в разработанном комплексе ПО (4.1, 4.2).
Разработка комплекта шаблонов и определение технологических параметров формирования чувствительных элементов туннельно-эмиссионных наномеханических акселерометров методом фокусированных ионных пучков
Для формирования чувствительного элемента туннельно-эмиссионного наномеханических акселерометра методом ФИП был разработан комплект, состоящий из трех растровых шаблонов, которые получены с помощью созданного программного обеспечения, описанного в разделе 4.1. Шаблоны, представленные на рисунке 4.11, используются для придания заданной формы сечения и размеров консолей чувствительного элемента. Размеры данных шаблонов составляют 423 точки в длину и 117 в ширину, что при использовании тока 50 пА, согласно математическим расчетам, позволяет формировать консоли чувствительного элемента требуемого размера (1,5 мкм х 0,3 мкм х 0,3 мкм) с заданной точностью (±50 нм) геометрических параметров.Q