Исследование процессов формирования профилированных полупроводниковых и диэлектрических структур для изделий нано- и микроэлектросистемной техники методом распыления атомов образца бомбардировкой высокоэнергетичными ионами фокусированного ионного пучка (ФИП)

Бандин А.А.ИУ4-113

Цель работы

Изучение теоретических основ распыления атомов бомбардировкой высокоэнергичными ионами фокусированного ионного пучка (ФИП). Освоение работы сверхвысоковакуумного модуля ФИП. Получение профилированных полупроводниковых и диэлектрических структур для изделий нано- и микроэлектросистемной техники.

На рисунке сфокусированный поток ионов нормально направлен к поверхности образца. Падающий ион бомбардирует атом образца, в результате происходит передача энергии от высокоэнергичного иона к атому образца. В результате атом покидает узловое положение в кристаллической решетке, в этом случае этот атом может после каскадных соударений эмитировать в вакуум. Данный процесс носит название ионного распыления. Также в результате соударения иона с атомом происходит возбуждение электронов на энергетических уровнях атома, что приводит к эмиссии электронов из образца. Эмитированные электроны называются вторичными электронами.

Взаимодействие заряженных частиц с атомами поверхности

На рисунке показано 10 разновидностей взаимодействия ионов с поверхностью. Падающий ион может обратно рассеиваться атомом или группой атомов бомбардируемого образца. Процесс обратного рассеяния обычно приводит к отклонению траектории иона от первоначального направления после столкновения и к обмену энергией между ионом и атомом мишени. Обмен энергией может быть упругим и неупругим в зависимости от типа взаимодействующих частиц и энергии иона.

Виды взаимодействий ионов с твердым телом

Ионная бомбардировка поверхности твёрдых тел приводит к возникновению взаимосвязанных процессов, основные из которых — объёмное и поверхностное рассеяние бомбардирующих ионов (в том числе и с изменением их зарядового состояния), эмиссия из различных конденсированных сред заряженных и нейтральных частиц и их комплексов (ионно-ионная эмиссия, ионно-электронная эмиссия, распыление, ионно-стимулированная десорбция с поверхности твёрдого тела), испускание электро-магнитного излучения с широким спектром частот (ионно-фотонная эмиссия, рентгеновское излучение), различные радиационные процессы, в том числе образование дефектов как в объёме твёрдого тела, так и на его поверхности.

Результат бомбардировки

Распыление характеризуется коэффициентом распыления Y, определяемым как среднее число атомов, удаляемых с поверхности твердого тела одной падающей частицей

Если не считать легких ионов, то для коэффициента распыления типичны значения 1-5, хотя он может изменяться от нуля до 100. Это зависит от энергии и массы первичных частиц, угла их падения на поверхность, массы атомов мишени, кристаллического состояния твердого тела и ориентации кристалла поверхностной энергии связи мишени.

Коэффициент распыления

Зависимость коэффициента распыления от свойств мишени:

а) Зависимость от кристаллического состояния мишени б) Зависимость от температуры в) Зависимость от фазового состояния поверхности г) Зависимость от рельефа поверхности д) Зависимость от чистоты поверхности

Зависимости коэффициентов распыления

Техника ФИП относится к высоковакуумной технике. В лабораторной работе рассматривается модуль ФИП в нанотехнологическом комплексе «Нанофаб-100». Модуль фокусированного ионного пучка НТК «Нанофаб-100» Модуль состоит из колонны ФИП, формирующей остросфокусированный поток ионов, детектора вторичных электронов, вакуумных насосов и корпуса камеры.

Техника ФИП

Изучение теоретических основ распыления атомов бомбардировкой высокоэнергетичными ионами фокусированного ионного пучка (ФИП). Освоение работы сверхвысоковакуумного модуля ФИП. Получение профилированных полупроводниковых и диэлектрических структур для изделий нано- и микроэлектросистемной техники.

Устройство колонны ФИП

Ионное распыление материала характеризуется коэффициентом распыления, Y

где Natom – количество распыленных атомов, Nion – количество падающих ионов. Количество распыленных атомов определяется из соотношения

где S – площадь распыляемого участка в планаре, h – глубина вытравленной канавки, N1 – концентрация атомов материала. Количество падающих ионов определяется из соотношения

Определение скорости распыления образца

Работа выполняется на нанотехнологическом комплексе (НТК) «НаноФаб 100» (ЗАО «НТ-МДТ», г. Зеленоград). Сверхвысоковакуумный модульный нанотехнологический комплекс «НаноФаб 100» предназначен для исследований наноструктур, наноэлементов и устройств на их основе. Четырехкамерный нанотехнологический комплекс (НТК - 4) включает модули Сканирующей Зондовой Микроскопии (СЗМ) и Фокусированного Ионного Пучка (ФИП) и модули загрузки зондов и образцов. Установка позволяет обрабатывать и исследовать образцы диаметром до 100 мм в условиях сверхвысокого вакуума (до 10-9Па).

Выполнение работы

НаноФаб 100

Модули ФИП относятся к основным модулям комплекса НаноФаб 100 и предназначены для проведения технологических операций с применением Фокусированного Ионного Пучка, в том числе операций нанолитографии, локального роста, резки и визуализации наноэлементов и наноструктур, очистки поверхности полупроводниковых пластин и пр.

В состав платформы НаноФаб 100 входят два типа модулей ФИП - сверхвысоковакуумный и снабженный системой ввода паров элементоорганических соединений, таким образом модули ФИП обеспечивают практически все значимые "top-down" и "bottom-up" ФИП технологии.

Модуль фокусированного ионного пучка (ФИП)

Эксперименты проводятся в условиях сверхвысокого вакуума. Поэтому для сохранения условий вакуума необходимо очистить образец в спиртовой ванне.

Перед помещением внутрь сверхвысоковакуумной (СВВ) камере образец проходит стадии очистки, таких как механическая полировка, химическое травление, кипячение в органических растворителях, полоскание в деионизированной воде.

Результат бомбардировки

Установка подготовленных образцов производится на специальный металлический держатель. Закрепление производится с помощью проводящего клея.

На одну сторону наносится клей и прижимается на держатель.

Далее готовый держатель с образцами загружаем в камеру загрузки образцов (КО). Устанавливаем на специальный держатель в камере КО.

Результат бомбардировки

Профилированная структура образцов показана на рисунке. а) изображение исходного образца, б) и в) изображение поверхности после литографии с различным временем распыления

Электронное изображение канавок и АСМ профиль поверхности

Результат бомбардировки