Метод реактивного ионно-лучевого синтеза пленок непосредственно из пучков ионов
|
Введение. Общая характеристика работы.
Глава 1.
Введение.
Выводы. Глава 2.
Выводы. Глава 3.
Выводы.
Анализ методов осаждения и свойств тонких пленок, используемых в технологии микроэлектроники.
Ионно-лучевая обработка в технологии микроэлектроники.
Общая характеристика основных типов технологических ионных источников.
Методы осаждения тонких пленок.
Анализ свойств алмазоподобных пленок, полученных различными методами.
Влияние параметров процесса получения на свойства алмазоподобных пленок.
Исследование электрофизических параметров ионного источника с замкнутым дрейфом электронов “Радикал-М250”.
Экспериментальное технологическое оборудование и методика проведения экспериментов.
Исследование ионно-оптической системы источника ионов “Радикал-М250”.
Нейтрализация низкоэнергетичных широких пучков ионов высокой интенсивности.
Зависимость процесса обработки от технологических параметров.
Исследование процесса нанесения тонких пленок непосредственно из пучков ионов.
Исследование процесса очистки поверхности пучками ионов инертных и химически активных веществ. Исследование зависимости распределения
плотности тока пучка вдоль диаметра пучка от технологических параметров.
Модель механизма реактивного ионно-лучевого синтеза тонких пленок непосредственно из пучков ионов.
Глава 4. Исследование свойств тонких пленок, полученных осаждением непосредственно из пучков ионов.
§1. Методика исследования свойств и осаждения тонких
пленок из пучков ионов углеводородов и кремнийорганических соединений.
§2. Исследование свойств тонких пленок, полученных осаждением из пучков ионов углеводородов.
§3. Исследование свойств тонких пленок, полученных осаждением из пучков ионов кремнийорганических соединений.
§4. Анализ свойств тонких пленок, полученных осаждением из пучков ионов углеводородов и кремнийорганических соединений.
Выводы.
Глава 5. Практическое применение метода реактивного ионно-лучевого синтеза для создания структур твердотельной электроники.
§1. Формирование просветляющих покрытий элементов 4 солнечных батарей.
§2. Комфорное запыление тренчей. Выводы.
Заключение.
Список цитируемой литературы.
Приложение №1.
Глава 1.
Введение.
Выводы. Глава 2.
Выводы. Глава 3.
Выводы.
Анализ методов осаждения и свойств тонких пленок, используемых в технологии микроэлектроники.
Ионно-лучевая обработка в технологии микроэлектроники.
Общая характеристика основных типов технологических ионных источников.
Методы осаждения тонких пленок.
Анализ свойств алмазоподобных пленок, полученных различными методами.
Влияние параметров процесса получения на свойства алмазоподобных пленок.
Исследование электрофизических параметров ионного источника с замкнутым дрейфом электронов “Радикал-М250”.
Экспериментальное технологическое оборудование и методика проведения экспериментов.
Исследование ионно-оптической системы источника ионов “Радикал-М250”.
Нейтрализация низкоэнергетичных широких пучков ионов высокой интенсивности.
Зависимость процесса обработки от технологических параметров.
Исследование процесса нанесения тонких пленок непосредственно из пучков ионов.
Исследование процесса очистки поверхности пучками ионов инертных и химически активных веществ. Исследование зависимости распределения
плотности тока пучка вдоль диаметра пучка от технологических параметров.
Модель механизма реактивного ионно-лучевого синтеза тонких пленок непосредственно из пучков ионов.
Глава 4. Исследование свойств тонких пленок, полученных осаждением непосредственно из пучков ионов.
§1. Методика исследования свойств и осаждения тонких
пленок из пучков ионов углеводородов и кремнийорганических соединений.
§2. Исследование свойств тонких пленок, полученных осаждением из пучков ионов углеводородов.
§3. Исследование свойств тонких пленок, полученных осаждением из пучков ионов кремнийорганических соединений.
§4. Анализ свойств тонких пленок, полученных осаждением из пучков ионов углеводородов и кремнийорганических соединений.
Выводы.
Глава 5. Практическое применение метода реактивного ионно-лучевого синтеза для создания структур твердотельной электроники.
§1. Формирование просветляющих покрытий элементов 4 солнечных батарей.
§2. Комфорное запыление тренчей. Выводы.
Заключение.
Список цитируемой литературы.
Приложение №1.
Настоящая диссертация посвящена проблеме развития метода реактивного ионно-лучевого синтеза (РИЛС) тонких пленок непосредственно из широких низкоэнергетичных пучков ионов высокой интенсивности, формируемых ионным источником (ИИ) с замкнутым дрейфом электронов.
Актуальность работы обусловлена совершенствованием технологии нанесения тонких пленок с заданными свойствами для твердотельной электроники, а также высоким уровнем современных требований к функциональным тонкопленочным слоям, используемым в микро- и наноэлектронике.
В микроэлектронике ионно-лучевая обработка (ИЛО) нашла применение в начале 70-х годов, когда был освоен метод ионно-лучевого травления (ИЛТ) материалов пучками ионов аргона. Дальнейшее развитие ИЛО было связано с разработкой методов реактивного ионно-лучевого травления (РИЛТ) и осаждения тонких пленок распылением материала мишени пучками ионов1.
Метод реактивного ионно-лучевого синтеза тонких пленок непосредственно из пучков ионов химически активных веществ, исследованию которого посвящена данная работа, представляется одним из перспективных методов нанесения функциональных слоев, используемых при создании структур твердотельной электроники, в связи с рядом принципиальных достоинств по отношению к существующим методам получения тонких пленок в вакууме.
Недостатки наиболее распространенных методов (распыление или испарение материала мишени, плазмостимулированные методы) связаны с ограниченными возможностями управления энергией осаждаемых частиц, переносом вещества к подложке по закону “косинуса” и трудностями контроля количества осаждаемого вещества.
Для управления электрофизическими, оптическими и механическими свойствами формируемых слоев необходимо изменять энергию, величину, состав и направленность потока осаждаемых частиц. Такими возможностями обладает метод РИЛС, отличительными особенностями которого являются:
• ускорение ионов до требуемой энергии и формирование пучка осуществляются в ионно-оптической системе источника ионов, при этом энергия ионов определяется лишь ускоряющим напряжением источника и может составлять десятки или сотни эВ, что позволяет синтезировать тонкие пленки, управление свойствами которых осуществляется изменением энергии ионов пучка;
• пространственная направленность при условии малой расходимости ионного пучка позволяет проводить процессы травления и нанесения
4
пленок на структуры сложного профиля, что важно, например, при создании ультраболыпих интегральных схем с многоуровневой металлизацией;
• доля ионной компоненты в потоке осаждаемого вещества достигает 100 %, что позволяет осуществлять строго дозированный перенос вещества к подложке посредством контроля в процессе осаждения плотности тока ионов пучка.
Развитие метода РИЛС требует проведения исследований и разработки ионных источников производственного назначения и ионно-лучевых систем для нанесения и травления тонкопленочных покрытий, используемых при создании структур твердотельной электроники.
Современные тенденции развития микро- и наноэлектроники выдвигают ряд требований к ИИ, используемым в технологических целях: возможность независимого управления величиной плотности потоков частиц j и их энергии Е в широком диапазоне (j до нескольких мА/см , Е до 1000 эВ); высокая однородность ионных пучков на большой площади; широкая номенклатура рабочих веществ и возможность длительной работы с химически активными газами; низкие давления в рабочей камере; простота конструкции и надежность в эксплуатации.
Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют ИИ, принцип действия которых основан на ионизации газо-, парообразного вещества в условиях замкнутого дрейфа электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях, реализованный в ИИ семейства “Радикал”2. Ионные источники “Радикал” достаточно хорошо зарекомендовали себя в технологических операциях ИЛТ и РИЛТ3. Перспективность их использования в методе РИЛС для осаждения тонких пленок непосредственно из пучков ионов обуславливает необходимость оптимизации ионно-оптической системы источника ионов с целью установления соответствия параметров ионных пучков требованиям, предъявляемым к процессам формирования тонкопленочных покрытий в технологии микро- и наноэлектроники.
Таким образом, цель диссертационной работы заключается в исследовании метода реактивного ионно-лучевого синтеза тонких пленок непосредственно из пучков ионов и свойств осажденных тонкопленочных покрытий, используемых в качестве функциональных слоев твердотельной электроники.
Конкретная цель работы — разработка процесса осаждения тонких пленок с заданными свойствами непосредственно из широких низкоэнергетичных пучков ионов высокой интенсивности, формируемых ионным источником с замкнутым дрейфом электронов, и управление свойствами осаждаемых тонких пленок посредством изменения параметров ионных пучков в процессе осаждения.
При этом решались следующие задачи:
1. Исследование электрофизических параметров ионного источника “Радикал-М250”:
• управление распределением ионов пучка по энергиям;
• оптимизация ионно-оптической системы источника;
• токовая нейтрализация низкоэнергетичных широких пучков ионов высокой интенсивности.
2. Исследование влияния технологических параметров на процесс осаждения тонких пленок:
• исследование зависимости скорости осаждения тонких пленок и травления обрабатываемой поверхности от плотности тока и энергии ионов пучка;
• исследование зависимости равномерности обработки от электрофизических параметров ионных пучков и конструктивных особенностей ИИ.
3. Разработка технологии осаждения тонких пленок из пучков ионов углеводородов и кремнийорганических веществ и исследование свойств полученных покрытий.
4. Установление взаимосвязи между свойствами пленок, составом исходных веществ, параметрами ионных пучков и технологических режимов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Исследован процесс реактивного ионно-лучевого синтеза композитных тонких пленок непосредственно из широких низкоэнергетичных пучков ионов высокой интенсивности. Разработана методика управления свойствами тонких функциональных слоев при создании структур твердотельной электроники посредством независимого изменения энергии ионов пучка, интенсивности, направленности и состава пучков ионов.
2. Исследовано влияние параметров низкоэнергетичных широких пучков ионов высокой интенсивности на оптические свойства алмазоподобных (АЛЛ) и кремнийсодержащих углеродных пленок, полученных осаждением непосредственно из пучков ионов. Установлена зависимость оптической ширины запрещенной зоны, показателя поглощения и показателя преломления тонкопленочных слоев от энергии и интенсивности ионов пучка.
3. Разработана феноменологическая модель процесса реактивного ионно-лучевого синтеза тонких пленок, дающая объяснение механизму осаждения непосредственно из широких низкоэнергетичных пучков ионов высокой интенсивности на основе представления об основных компонентах ионно-пучковой плазмы и физических явлениях на обрабатываемой поверхности.
Актуальность работы обусловлена совершенствованием технологии нанесения тонких пленок с заданными свойствами для твердотельной электроники, а также высоким уровнем современных требований к функциональным тонкопленочным слоям, используемым в микро- и наноэлектронике.
В микроэлектронике ионно-лучевая обработка (ИЛО) нашла применение в начале 70-х годов, когда был освоен метод ионно-лучевого травления (ИЛТ) материалов пучками ионов аргона. Дальнейшее развитие ИЛО было связано с разработкой методов реактивного ионно-лучевого травления (РИЛТ) и осаждения тонких пленок распылением материала мишени пучками ионов1.
Метод реактивного ионно-лучевого синтеза тонких пленок непосредственно из пучков ионов химически активных веществ, исследованию которого посвящена данная работа, представляется одним из перспективных методов нанесения функциональных слоев, используемых при создании структур твердотельной электроники, в связи с рядом принципиальных достоинств по отношению к существующим методам получения тонких пленок в вакууме.
Недостатки наиболее распространенных методов (распыление или испарение материала мишени, плазмостимулированные методы) связаны с ограниченными возможностями управления энергией осаждаемых частиц, переносом вещества к подложке по закону “косинуса” и трудностями контроля количества осаждаемого вещества.
Для управления электрофизическими, оптическими и механическими свойствами формируемых слоев необходимо изменять энергию, величину, состав и направленность потока осаждаемых частиц. Такими возможностями обладает метод РИЛС, отличительными особенностями которого являются:
• ускорение ионов до требуемой энергии и формирование пучка осуществляются в ионно-оптической системе источника ионов, при этом энергия ионов определяется лишь ускоряющим напряжением источника и может составлять десятки или сотни эВ, что позволяет синтезировать тонкие пленки, управление свойствами которых осуществляется изменением энергии ионов пучка;
• пространственная направленность при условии малой расходимости ионного пучка позволяет проводить процессы травления и нанесения
4
пленок на структуры сложного профиля, что важно, например, при создании ультраболыпих интегральных схем с многоуровневой металлизацией;
• доля ионной компоненты в потоке осаждаемого вещества достигает 100 %, что позволяет осуществлять строго дозированный перенос вещества к подложке посредством контроля в процессе осаждения плотности тока ионов пучка.
Развитие метода РИЛС требует проведения исследований и разработки ионных источников производственного назначения и ионно-лучевых систем для нанесения и травления тонкопленочных покрытий, используемых при создании структур твердотельной электроники.
Современные тенденции развития микро- и наноэлектроники выдвигают ряд требований к ИИ, используемым в технологических целях: возможность независимого управления величиной плотности потоков частиц j и их энергии Е в широком диапазоне (j до нескольких мА/см , Е до 1000 эВ); высокая однородность ионных пучков на большой площади; широкая номенклатура рабочих веществ и возможность длительной работы с химически активными газами; низкие давления в рабочей камере; простота конструкции и надежность в эксплуатации.
Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют ИИ, принцип действия которых основан на ионизации газо-, парообразного вещества в условиях замкнутого дрейфа электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях, реализованный в ИИ семейства “Радикал”2. Ионные источники “Радикал” достаточно хорошо зарекомендовали себя в технологических операциях ИЛТ и РИЛТ3. Перспективность их использования в методе РИЛС для осаждения тонких пленок непосредственно из пучков ионов обуславливает необходимость оптимизации ионно-оптической системы источника ионов с целью установления соответствия параметров ионных пучков требованиям, предъявляемым к процессам формирования тонкопленочных покрытий в технологии микро- и наноэлектроники.
Таким образом, цель диссертационной работы заключается в исследовании метода реактивного ионно-лучевого синтеза тонких пленок непосредственно из пучков ионов и свойств осажденных тонкопленочных покрытий, используемых в качестве функциональных слоев твердотельной электроники.
Конкретная цель работы — разработка процесса осаждения тонких пленок с заданными свойствами непосредственно из широких низкоэнергетичных пучков ионов высокой интенсивности, формируемых ионным источником с замкнутым дрейфом электронов, и управление свойствами осаждаемых тонких пленок посредством изменения параметров ионных пучков в процессе осаждения.
При этом решались следующие задачи:
1. Исследование электрофизических параметров ионного источника “Радикал-М250”:
• управление распределением ионов пучка по энергиям;
• оптимизация ионно-оптической системы источника;
• токовая нейтрализация низкоэнергетичных широких пучков ионов высокой интенсивности.
2. Исследование влияния технологических параметров на процесс осаждения тонких пленок:
• исследование зависимости скорости осаждения тонких пленок и травления обрабатываемой поверхности от плотности тока и энергии ионов пучка;
• исследование зависимости равномерности обработки от электрофизических параметров ионных пучков и конструктивных особенностей ИИ.
3. Разработка технологии осаждения тонких пленок из пучков ионов углеводородов и кремнийорганических веществ и исследование свойств полученных покрытий.
4. Установление взаимосвязи между свойствами пленок, составом исходных веществ, параметрами ионных пучков и технологических режимов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Исследован процесс реактивного ионно-лучевого синтеза композитных тонких пленок непосредственно из широких низкоэнергетичных пучков ионов высокой интенсивности. Разработана методика управления свойствами тонких функциональных слоев при создании структур твердотельной электроники посредством независимого изменения энергии ионов пучка, интенсивности, направленности и состава пучков ионов.
2. Исследовано влияние параметров низкоэнергетичных широких пучков ионов высокой интенсивности на оптические свойства алмазоподобных (АЛЛ) и кремнийсодержащих углеродных пленок, полученных осаждением непосредственно из пучков ионов. Установлена зависимость оптической ширины запрещенной зоны, показателя поглощения и показателя преломления тонкопленочных слоев от энергии и интенсивности ионов пучка.
3. Разработана феноменологическая модель процесса реактивного ионно-лучевого синтеза тонких пленок, дающая объяснение механизму осаждения непосредственно из широких низкоэнергетичных пучков ионов высокой интенсивности на основе представления об основных компонентах ионно-пучковой плазмы и физических явлениях на обрабатываемой поверхности.
Основные результаты, полученные в диссертационной работе:
1. Разработан метод реактивного ионно-лучевого синтеза композитных тонких пленок непосредственно из широких низкоэнергетичных пучков ионов высокой интенсивности, который позволяет управлять свойствами тонкопленочных функциональных слоев, применяемых при создании устройств твердотельной электроники, посредством изменения энергии ионов пучка, интенсивности, направленности и состава пучков ионов химически активных веществ.
2. Установлена зависимость от энергии ионов пучка оптической ширины запрещенной зоны алмазоподобных и кремнийсодержащих углеродных пленок. При этом увеличение энергии в диапазоне 150+500 эВ и интенсивности ионов пучка приводит к снижению оптической ширины запрещенной зоны алмазоподобных пленок от 1,5 до 0,8 эВ. Аналогичное изменение энергии и интенсивности ионного пучка при осаждении карбонитрида кремния приводит к снижению Eg от 2,4 до 1,8 эВ. В случае осаждения оксикарбида кремния повышение мощности, подводимой в разряд, приводит к увеличению Eg от 2,1 до 2,3 эВ.
3. Установлена зависимость от энергии ионов пучка показателя преломления кремнийсодержащих углеродных пленок. При этом увеличение энергии в диапазоне 150+500 эВ и интенсивности ионов пучка при осаждении карбонитрида кремния приводит к снижению п от 2,1 до 1,8 эВ. В случае осаждения оксикарбида кремния повышение мощности, подводимой в разряд, приводит к увеличению п от 1,8 до 2,4 эВ. Вариация показателя преломления связана с изменением количественного соотношения фазовых компонент, что указывает на более чувствительную структуру композитных пленок к изменению параметров режима осаждения.
4. Предложен и развит метод управления электрофизическими параметрами пучков ионов посредством модификации ионно-оптической системы многоячеистого источника ионов изменением положения штырьевого электрода. Установлено, что средняя энергия и интенсивность пучков ионов, формируемых ионным источником с многоячеистой оптической системой, зависят от положения зоны эффективной ионизации рабочего вещества в ячейке ионно-оптической системы. Показана возможность формирования ионных пучков с заданным значением средней энергии ионов пучка в диапазоне 150+500 эВ и интенсивностью до 2 мА/см2.
1. Разработан метод реактивного ионно-лучевого синтеза композитных тонких пленок непосредственно из широких низкоэнергетичных пучков ионов высокой интенсивности, который позволяет управлять свойствами тонкопленочных функциональных слоев, применяемых при создании устройств твердотельной электроники, посредством изменения энергии ионов пучка, интенсивности, направленности и состава пучков ионов химически активных веществ.
2. Установлена зависимость от энергии ионов пучка оптической ширины запрещенной зоны алмазоподобных и кремнийсодержащих углеродных пленок. При этом увеличение энергии в диапазоне 150+500 эВ и интенсивности ионов пучка приводит к снижению оптической ширины запрещенной зоны алмазоподобных пленок от 1,5 до 0,8 эВ. Аналогичное изменение энергии и интенсивности ионного пучка при осаждении карбонитрида кремния приводит к снижению Eg от 2,4 до 1,8 эВ. В случае осаждения оксикарбида кремния повышение мощности, подводимой в разряд, приводит к увеличению Eg от 2,1 до 2,3 эВ.
3. Установлена зависимость от энергии ионов пучка показателя преломления кремнийсодержащих углеродных пленок. При этом увеличение энергии в диапазоне 150+500 эВ и интенсивности ионов пучка при осаждении карбонитрида кремния приводит к снижению п от 2,1 до 1,8 эВ. В случае осаждения оксикарбида кремния повышение мощности, подводимой в разряд, приводит к увеличению п от 1,8 до 2,4 эВ. Вариация показателя преломления связана с изменением количественного соотношения фазовых компонент, что указывает на более чувствительную структуру композитных пленок к изменению параметров режима осаждения.
4. Предложен и развит метод управления электрофизическими параметрами пучков ионов посредством модификации ионно-оптической системы многоячеистого источника ионов изменением положения штырьевого электрода. Установлено, что средняя энергия и интенсивность пучков ионов, формируемых ионным источником с многоячеистой оптической системой, зависят от положения зоны эффективной ионизации рабочего вещества в ячейке ионно-оптической системы. Показана возможность формирования ионных пучков с заданным значением средней энергии ионов пучка в диапазоне 150+500 эВ и интенсивностью до 2 мА/см2.
Подобные работы
- МЕТОД РЕАКТИВНОГО ИОННО-ЛУЧЕВОГО СИНТЕЗА ТОНКИХ ПЛЕНОК НЕПОСРЕДСТВЕННО ИЗ ПУЧКОВ ИОНОВ
Диссертация , физика. Язык работы: Русский. Цена: 500 р. Год сдачи: 2002