close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка и исследование технологических основ наноразмерного профилирования методом фокусированных ионных пучков для создания элементов микро- и наносистемной техники

код для вставкиСкачать
1
На правах рукописи
Громов Александр Леонидович
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ
НАНОРАЗМЕРНОГО ПРОФИЛИРОВАНИЯ МЕТОДОМ
ФОКУСИРОВАННЫХ ИОННЫХ ПУЧКОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ
ЭЛЕМЕНТОВ МИКРО- И НАНОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ
Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные
компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Таганрог - 2016
2
Работа выполнена в Южном федеральном университете на кафедре
нанотехнологий и микросистемной техники
института нанотехнологий, электроники и приборостроения
Научный руководитель:
Агеев Олег Алексеевич,
доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Руденко Константин Васильевич
доктор физико-математических наук, доцент,
зам. директора по научной работе ФГБУН
Физико-технологический институт РАН, г.
Москва
Толстолуцкий Сергей Иванович
кандидат технических наук, доцент, начальник
сектора ФГУП «Ростовский-на-Дону научноисследовательский институт радиосвязи»,
г. Ростов-на-Дону
Ведущая организация:
ФГУП «Научно-исследовательский институт
физических проблем имени Ф. В. Лукина»,
г. Москва
Защита состоится 22 декабря 2016 г. в ____ на заседании диссертационного совета
Д212.208.23 в Южном федеральном университете по адресу: 347928, Ростовская
область, г. Таганрог, ул. Шевченко, 2, Е-306.
С диссертацией можно ознакомиться в Зональной библиотеке Южного
федерального университета по адресу: г Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148 и на
сайте http://hub.sfedu.ru/diss/
Отзыв на автореферат в 2-х экз., заверенный печатью организации и оформленный
согласно «Положению о порядке присуждения ученых степеней» (п. 28), с
указанием ФИО (полностью) лица, представившего отзыв, почтовым адресом,
наименованием организации, его должности в этой организации, телефона и адреса
электронной почты, просим направлять в ЮФУ по адресу: 347922, Россия,
Ростовская область, г. Таганрог, ул. Шевченко, 2, корпус «Е», лаб. 112, ученому
секретарю совета Д212.208.23 Исаевой А.С.
Автореферат разослан ___________ 2016 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
А.С. Исаева
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность диссертационной работы
Развитие современной микро- и наносистемной техники создает постоянный
спрос на разработку новых технологий и принципов формирования элементов для
улучшения технических характеристик приборов и соответствия запросам
промышленности. В связи с этим, активно ведутся работы по поиску и
исследованию новых методов формирования элементов микро- и наносистемной
техники. Перспективным направлением в этой области является метод
фокусированных ионных пучков, поскольку он хорошо совместим с
существующей кремниевой технологией и позволяет получать элементы микро- и
наносистемной техники с необходимыми геометрическими параметрами в
заданной области подложки, что значительно упрощает и удешевляет
технологические процессы изготовления устройств МЭМС и НЭМС.
Однако разработки и исследования технологии формирования элементов микрои наносистемной техники на основе применения метода фокусированных ионных
пучков носят несистематический характер. При этом отсутствуют комплексные
модели формирования рельефа поверхности твердого тела при травлении
фокусированным ионным пучком, с учетом его технологических и физических
параметров, которые позволяют прогнозировать характеристики рельефа
получаемой поверхности, что затрудняет системное изучение процессов
формирования элементов микро- и наносистемной техники методом
фокусированных ионных пучков с воспроизводимыми характеристиками.
Поэтому актуальной задачей современной электроники является разработка
технологических
основ
наноразмерного
профилирования
методом
фокусированных ионных пучков для создания элементов микро- и наносистемной
техники.
Цель работы
Целью диссертационной работы является разработка математических моделей и
технологических
основ
наноразмерного
профилирования
методом
фокусированных ионных пучков для создания элементов микро- и наносистемной
техники.
Основные задачи исследований:
1. Проведение анализа основных физических и технологических параметров,
влияющих на формирование рельефа поверхности подложки при травлении
методом фокусированных ионных пучков.
2. Разработка математической модели формирования рельефа поверхности
подложки при травлении, с учетом основных физических и технологических
параметров фокусированного ионного пучка.
3. Разработка способа и программного обеспечения генерации растровых
шаблонов для безмасочного структурирования подложек, с учетом основных
физических эффектов и технологических параметров фокусированного ионного
пучка.
4. Экспериментальные и теоретические исследования влияния режимов
травления на геометрические параметры структур, сформированных травлением
методом фокусированных ионных пучков.
4
5. Разработка технологического маршрута изготовления макета чувствительного
элемента туннельно-эмиссионного акселерометра на основе использования метода
фокусированных ионных пучков.
Научная новизна:
1. Разработана математическая модель формирования рельефа поверхности
подложек при ионно-лучевом травлении с учетом основных физических эффектов
и технологических параметров фокусированного ионного пучка (неравномерности
распределения интенсивности потока ионов в пучке, степени перекрытия соседних
зон воздействия, угловой зависимости коэффициента распыления, эффекта
переосаждения, тока ионного пучка, времени воздействия пучка в точке,
количества проходов), которая позволяет прогнозировать параметры рельефа
поверхности. Результаты моделирования подтверждены экспериментальными
данными.
2. Экспериментально установлены закономерности влияния технологических
параметров фокусированного ионного пучка на геометрические параметры
формируемых структур с учетом тока ионного пучка, времени воздействия пучка
в точке и количества проходов.
3. Экспериментально установлены закономерности влияния режимов
сканирования фокусированным ионным пучком на точность воспроизведения
топологического рисунка шаблона.
4. Разработан способ генерации растровых шаблонов для безмасочного
структурирования поверхности подложек методом фокусированных ионных пучков,
учитывающий основные физические эффекты и технологические параметры
фокусированного ионного пучка, режимы сканирования, а также геометрические
параметры формируемой структуры, позволяющий повысить точность
воспроизведения топологического рисунка.
Практическая значимость работы:
1. Разработана методика оценки точности воспроизведения топологического
рисунка шаблона при травлении методом фокусированных ионных пучков.
Показано, что при переносе топологического рисунка шаблона на кремниевую
подложку для достижения отклонения латеральных размеров 9 нм необходимо
применять фокусированные ионные пучки энергией 30 кэВ током менее 10 пА и
производить корректировку шаблонов с учетом параметров пучка и
неравномерности распределения интенсивности потока ионов в пучке.
2. Разработан комплекс программного обеспечения для расчета рельефа
поверхности подложек при ионно-лучевом травлении с учетом основных
физических эффектов и технологических параметров фокусированного ионного
пучка (неравномерности распределения интенсивности потока ионов в пучке,
степени перекрытия соседних зон воздействия, угловой зависимости
коэффициента распыления, эффекта переосаждения, тока ионного пучка, времени
воздействия пучка в точке, количества проходов).
3. Разработан комплекс программного обеспечения для генерации растровых
шаблонов
для
безмасочного
структурирования
подложек
методом
фокусированных ионных пучков, учитывающий основные физические эффекты и
технологические параметры фокусированного ионного пучка, режимы
5
сканирования, а также геометрические параметры формируемой структуры
(Свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ
№2014619279 и №2015610512).
4. Определены режимы наноразмерного профилирования поверхности кремния
методом фокусированных ионных пучков. Показано, что при ионных токах до 30
пА, времени воздействия пучка в точке до 500 мкс и количестве проходов от 50, в
кремниевой подложке можно получать структуры с отклонением стенки от
вертикали ~1º, а для достижения точности воспроизведения топологического
рисунка шаблона 5% необходимо использовать токи менее 10 пА и производить
корректировку шаблонов с учетом параметров пучка и неравномерности
распределения интенсивности потока ионов в пучке.
5. Разработан технологический маршрут формирования чувствительного
элемента туннельно-эмиссионного акселерометра методом фокусированных
ионных пучков.
Положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель формирования рельефа поверхности подложек при
ионно-лучевом травлении с учетом основных физических эффектов и
технологических параметров фокусированного ионного пучка, которая позволяет
прогнозировать параметры рельефа поверхности.
2. Способ генерации растровых шаблонов для безмасочного структурирования
подложек методом фокусированных ионных пучков, с учетом основных
физических эффектов и технологических параметров фокусированного ионного
пучка, который позволяет повысить точность переноса топологического рисунка.
3. Закономерности влияния режимов травления и сканирования ионным пучком
на геометрические параметры формируемых структур с учетом основных
физических эффектов и технологических параметров фокусированного ионного
пучка (неравномерности распределения интенсивности потока ионов в пучке,
степени перекрытия соседних зон воздействия, угловой зависимости
коэффициента распыления, эффекта переосаждения, тока ионного пучка, времени
воздействия пучка в точке, количества проходов).
4. Методика снижения отклонения профиля структур, формируемых травлением
методом фокусированных ионных пучков, за счет создания специальных
шаблонов, учитывающих режимы сканирования (неравномерность распределения
интенсивности потока ионов в пучке, степень перекрытия соседних зон
воздействия, угловую зависимость коэффициента распыления, эффект
переосаждения) и режимы травления (ток ионного пучка, времени воздействия
пучка в точке, количества проходов).
Реализация результатов работы:
Диссертационные исследования проводились согласно плану НИР кафедры НТ
МСТ и НОЦ «Нанотехнологии» ЮФУ в 2011 – 2016 гг.: "Разработка и
исследование конструктивно-технологических решений формирования элементов
автоэмиссионной наноэлектроники на основе пленок графена на карбиде кремния
методом фокусированных ионных пучков" (Номер темы 213.01-11/2014-83ПЧ)";
"Разработка и исследование функциональных элементов интегральных схем СВЧ
с пространственной передислокацией максимума плотности носителей заряда в
6
квантовых областях гетероструктур полупроводниковых материалов А3В5"
(Номер темы 213.01-11/2014-53ПЧ); "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" (Идентификатор темы RFMEFI57514X0045).
Апробация работы:
Основные результаты диссертационной работы Громова А.Л. представлялись на
различных международных и всероссийских конференциях и семинарах: XXIII и
XXIV Российские конференции «РЭМ-2010» и «РКЭМ-2012» (г. Черноголовка,
2010, 2012); XVI и XIX Российские симпозиумы «РЭМ-2009» и «РЭМ-2015» (г.
Черноголовка, 2009, 2015); 17-й Всероссийская межвузовская НТК студентов и
аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2010» (г. Москва, 2010); XI
Российская конференция «Полупроводники-2013» (г. Санкт-Петербург, 2013); VII
Конференция по современным проблемам материаловедения, физики, технологии
и диагностики кремния, наноразмерных структур и приборов (г. Н.Новгород,
2010); XV Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (г. Н.Новгород, 2011);
Симпозиум «NGC 2011» (г. Москва, 2011); V-VII ежегодные научные конференции
базовых кафедр ЮНЦ РАН (г. Ростов-на-Дону, 2009-2011); Симпозиум
«Нанотехнологии-2009» (г. Таганрог, 2009); МНТК «Нанотехнологии-2010»,
(Дивноморское, 2010), конференции «Нанотехнологии в электронике и МЭМС» (г.
Таганрог, 2014).
Публикации:
По тематике диссертационного исследования опубликовано 28 научных работ, 5
из них – в журналах, входящих в Перечень ВАК. Получено два свидетельства о
регистрации программного обеспечения: № 2014619279); №2015610512.
Структура и объем диссертации:
Диссертация включает в себя введение, четыре главы, заключение, список
сокращений, список используемых источников, приложения. Содержание работы
изложено на 211 страницах, которые содержат 85 рисунков, 24 таблицы, список
использованных источников, состоящий из 113 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении проведено обоснование актуальности темы диссертационной
работы, обозначены цель диссертационного исследования, основные задачи
работы, научная новизна и практическая значимость, представлены сведения об
апробации результатов диссертационной работы и содержании глав диссертации.
В первой главе проведен обзор и анализ методов наноразмерного
профилирования поверхности подложек для создания элементов микро- и
наносистемной техники. Рассмотрены характеристики и принцип работы
современных
акселерометров.
Показано,
что
туннельно-эмиссионный
акселерометр является одним из лучших по рабочим характеристикам. Показано,
что метод фокусированных ионных пучков являются перспективным для создания
элементов микро- и наносистемной техники. Сделан вывод о необходимости
совершенствования конструкции и технологического процесса изготовления
чувствительных
элементов
туннельно-эмиссионных
акселерометров.
7
Рассмотрены теоретические основы процессов наноразмерного профилирования
подложек методом фокусированных ионных пучков и определены основные
физические эффекты и технологические параметры фокусированного ионного
пучка. Сделан вывод о необходимости разработки комплексной модели расчета
рельефа при локальном распылении фокусированным ионным пучком и создании
специального программного обеспечения для создания растровых шаблонов для
формирования структур методом ФИП без использования масок. По результатам
обзора сформирована цель и определены задачи диссертационной работы.
Во второй главе представлена оценка глубины проникновения ионов Ga+ в
материалы Si, SiO2, Al и толщины разупорядоченного слоя при воздействии
фокусированного ионного пучка. Для расчета профиля распределения
имплантированных ионов Ga+ в материале был использован метод Монте-Карло.
Анализ показал, что для выбранных материалов и значений энергии ионов 5-30
кэВ, что толщина разупорядоченного слоя составляет от 2,5 до 9,5 нм
соответственно. Эти значения необходимо учитывать при решении задачи
формирования элементов МЭМС и НЭМС с соизмеримыми размерами.
Произведено моделирование профилей распределения потока ионов по
поверхности подложки для различных значений степени перекрытия соседних
областей воздействия фокусированного ионного пучка. Установлено, что наиболее
равномерное распределение интенсивности наблюдается для степени перекрытия
между двумя точками воздействия, равной 35% (рисунок 1). По мере уменьшения
степени перекрытия соседних областей воздействия фокусированного ионного
пучка неравномерность распределения интенсивности возрастает.
Рисунок 1 – Профиль распределения плотности потока ионов ФИП при степени
перекрытия между двумя точками воздействия 35%
Показано, что изменение соотношения расстояния между соседними точками
воздействия фокусированного ионного пучка и диаметра пучка позволяет управлять
распределением интенсивности потока ионов на поверхность структуры.
Равномерность распределения интенсивности потока ионов позволяет сохранить
постоянную скорость ионно-лучевого травления ФИП по всех обрабатываемой
области. В результате, изменяя степень перекрытия между двумя точками
воздействия, можно контролировать параметры профиля поверхности структуры в
процессе ионно-лучевого травления.
8
Рассчитаны коэффициенты распыления материала подложки (Si, Al и SiO2)
ионами фокусированного пучка при различной энергии ионов Ga+. Получены
зависимости коэффициента распыления от угла падения ионов на подложку.
Показано, что увеличение коэффициента распыления в диапазоне изменения угла
падения ионов на подложку 30º-70º приводит к значительному изменению
морфологии структуры при расчете морфологии поверхности подложки после
первого и последующих проходов ФИП.
Полученные результаты, в совокупности с результатами моделирования
профиля распределения интенсивности потока ионов, позволяют рассчитать
количество распыленного материала и характер изменения рельефа после одного
прохода ФИП. Для расчета количества переосажденного материала были
разработаны модели и алгоритм обсчета точек переосаждения в зависимости от
угла, образованного направлением распыления и направлением падения ионов
фокусированного ионного пучка.
Разработан алгоритм моделирования рельефа поверхности, обрабатываемой
методом ФИП (рисунок 2).
Рисунок 2 – Алгоритм моделирования рельефа поверхности, обрабатываемой
методом ФИП
9
Разработана математическая модель результирующего рельефа поверхности
подложек при ионно-лучевом травлении с учетом основных физических эффектов
и технологических параметров фокусированного ионного пучка (тока ионного
пучка, неравномерности распределения интенсивности потока ионов в пучке,
зависимости коэффициента распыления от угла падения ионов, времени
воздействия в одной точке, степени перекрытия соседних зон воздействия, эффекта
переосаждения), которая позволяет прогнозировать параметры рельефа
поверхности  = { ,  | = ̅̅̅̅
1,  ;  = ̅̅̅̅
1, } и может быть представлена следующим
образом:
(,)
=∬
(, )   .
(1)

Выражение (1) в сеточном виде:
(2)
где, ∆ – профиль рельефа поверхности в точке ( ,  ),  – плотность потока
ионов в точке (, ) (см-2·c-1),  – плотность материала (атом/см-3),  – коэффициент
распыления (атом/ион) в точке (, ) , ( ) – угловая зависимость коэффициента
распыления,   – время воздействия пучка в точке (, ),  – функция потока
переосажденного материала в точку (, ) из предыдущих точек травления,  ,  координаты точки расчета с номерами i, j (i = 1,2,3...I, j = 1,2,3...J), и I, J - количество
интервалов, на которые делят точки расчета оси x и y. Пример результата расчета
профиля тестовой структуры представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 – Рассчитанная с помощью разработанной модели профилограмма
тестовой структуры
С помощью разработанной модели рассчитаны зависимости глубины травления
подложки Si и вертикальности формируемых стенок от тока, количества проходов
и времени воздействия в точке фокусированного ионного пучка.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований по
выявлению влияния режимов травления методом ФИП на геометрические параметры
структур на подложке кремния КЭФ-10 (100). Исследования проводились с
использованием РЭМ Nova NanoLab 600 (FEI Company, Нидерланды), контроль
параметров сформированных структур выполнялся с помощью ЗНЛ Ntegra Vita (ЗАО
«НТ-МДТ», г. Зеленоград).
10
Установлены закономерности изменения глубины травления подложки (рисунок 4),
отклонения стенок от вертикали (рисунок 5) и отклонения профиля (рисунок 5)
структур от заданного в зависимости от тока фокусированного пучка ионов, времени
травления в каждой точке шаблона и числа проходов луча. На рисунках 4, 5, 7
экспериментальные зависимости представлены совместно с соответствующими
теоретическими зависимостями, полученными на основании разработанной модели
(глава 2).
Сравнение экспериментальных зависимостей с теоретическими, подтверждает
достоверность и адекватность разработанной модели, представленной в главе 2.
а)
б)
Рисунок 4 – Зависимости глубины травления подложки от тока
фокусированного ионного пучка (а) и от времени воздействия ионного пучка
(б)
а)
б)
Рисунок 5 – Зависимости отклонения стенок от вертикали от тока ионного
пучка (а); от количества проходов ионного пучка (б)
Проведен анализ полученных зависимостей: увеличение ионного тока и времени
воздействия в точке приводит к возрастанию отклонения стенок структуры от
вертикали. При небольшом количестве проходов (1-10) и токе ионного пучка до
300 пА наблюдается сильное отклонение стенок структуры от вертикали. Начиная
с 1000 проходов, зависимости входят в насыщение. Установлено, что для
11
формирования структур с минимальным отклонением стенок от вертикали (1-3º)
необходимо использовать следующие режимы: токи ионного пучка 1 – 100 пА,
количество проходов более 50 и время воздействия пучка в точке на уровне 200 нс – 1
мкс.
Для оценки возможного отклонения профиля формируемой структуры от
заданного разработана методика, основанная на наложении АСМ-профилограммы
отдельной структуры на изображения заданного профиля и расчете отношения их
площадей (рисунок 6):

отк = 100 − пол ∙ 100%,
(3)
зад
где отк – отклонение профиля формируемой структуры от заданного, пол –
площадь сечения полученной структуры, зад – площадь сечения заданной
структуры.
Рисунок 6 – Схема расчета отклонения реального профиля от заданного
На основе применения разработанной методики получены зависимости
отклонения профиля сформированных структур от тока фокусированного ионного
пучка (рисунок 7 а) и времени воздействия ФИП в точке (рисунок 7 б).
а)
б)
Рисунок 7 – Зависимость отклонения профиля структуры от заданного от
тока ионного луча (а) и от времени травления в каждой точке шаблона (б)
Анализ показал увеличение значения отклонения реального профиля от
заданного при увеличении тока ионного пучка, при этом использование токов
выше 1 нА непригодно для формирования субмикронных структур.
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. Точность переноса топологического рисунка на поверхность
12
кремниевой подложки ухудшается при последующем увеличении времени
воздействия ФИП в точке. Показано, что наибольшее влияние на глубину
травления, вертикальность стенок и отклонения полученного профиля структур от
заданного оказывает ток ионного пучка.
Проведены экспериментальные исследования влияния режимов сканирования
ионного пучка на эффект переосаждения (рисунок 8). Показано, что изменение
режимов сканирования ионного пучка по подложке во время травления по шаблону
позволяет управлять характером распределения переосажденного материала.
Установлено, что использование режимов сканирования со случайным порядком
перебора строк позволяет минимизировать эффект переосаждения, добиться
отклонения профиля на уровне 7% и является оптимальным при режимах
травления с количеством проходов ионного пучка до 10 и большим (> 1000 мкс)
временем воздействия ионного пучка в точке.
а)
б)
в)
г)
Рисунок 8 – АСМ-профилограммы полученных структур при
различных направлениях сканирования: от центра к периметру растр (а),
от периметра к центру растр (б), слева направо серпантин (в), случайная
линия серпантин (г)
Разработана методика оценки и исследовано влияние тока ФИП на точность
переноса топологии, заложенной в шаблоне, на подложку. На рисунке 9
представлены зависимости значений полученного размера (длины стороны)
сформированных структур, измеренных по РЭМ-изображениям, от заданных
шаблоном значений размеров, для различных токов ионного пучка (рисунок 9).
13
а)
б)
Рисунок 9 – Зависимость размеров сформированных структур от заданных при
различных токах ионного пучка (а); зависимость предельного значения
минимального размера от тока ионного пучка (б).
Анализ показал, что для каждого значения тока существует некоторое минимальное
значение размера структуры, которая может быть сформирована (рисунок 9). При этом
предельные значения минимального размера структуры увеличиваются с ростом тока
ионного пучка. Рост величины ионного тока приводит к растравливанию элементов,
имеющих размеры меньше предельных.
Показано, что для достижения предельной точности формирования заданной
шаблоном топологии на подложке при профилировании методом ФИП надлежит
применять токи ФИП менее 10 пА, а также корректировать растровые шаблоны с
учетом формы ионного пучка и технологических параметров.
Экспериментально
установлены
закономерности
влияния
основных
технологических параметров травления методом ФИП на шероховатость
поверхности кремниевой подложки после травления (рисунок 10).
а)
б)
Рисунок 10 – Зависимости шероховатости от степени перекрытия соседних
областей воздействия ФИП для различных токов пучка (а); от времени
травления в точке при различных степенях перекрытия соседних областей
воздействия (б)
Показано, что при значении параметра перекрытия соседних областей
воздействия пучка 30÷50% шероховатость подложки минимальна, что
14
соответствует представленным в главе 2 результатам теоретических исследований
с использованием разработанной модели, согласно которым оптимальное
перекрытие соседних областей воздействия составляет 35%.
В четвертой главе на основании результатов теоретических (глава 2) и
экспериментальных (глава 3) исследований, разработан способ генерации
растровых шаблонов для безмасочного профилирования методом ФИП,
учитывающий основные физические эффекты и технологические параметры
фокусированного ионного пучка и заданной структуры и позволяющий повысить
предельную точность переноса топологического рисунка, и создан комплекс
программного обеспечения для создания растровых шаблонов для безмасочного
формирования структур на подложке методом ФИП (Свидетельства на программы
для ЭВМ №2014619279 и №2015610512), который обеспечивает автоматизацию
процесса создания шаблонов и получение высокой повторяемости результатов
травления. Блок-схема реализованного в ПО алгоритма приведена на рисунке 11.
Интерфейс главного окна программы представлен на рисунке 12.
Разработаны способ и комплекс программного обеспечения для расчета
морфологии поверхности твердого тела при локальной селективной обработке
фокусированным ионным пучком с учетом физических и технологических
параметров фокусированного ионного пучка (тока ионного пучка,
неравномерности распределения интенсивности потока ионов в пучке,
зависимости коэффициента распыления от угла падения ионов, времени
воздействия фокусированного ионного пучка в точке, степени перекрытия
соседних зон воздействия, эффекта переосаждения).
Рисунок 11 – Блок-схема алгоритма, реализованного в программном
обеспечении, для создания растровых шаблонов для наноразмерного
профилирования подложек методом ФИП
15
Рисунок 12 – Главный интерфейс разработанного программного обеспечения
Разработанный комплекс ПО позволяет создавать специализированные
шаблоны для травления наноразмерных объемных структур методом
фокусированных ионных пучков. Заложенный способ учитывает результаты
моделирования рельефа поверхности при травлении ФИП на основе модели,
изложенной в главе 2, и отклонение размеров от заданных на основе методики,
изложенной в главе 3. В созданном программном обеспечении реализовано
несколько режимов генерации и мультипликации шаблонов:
- генерация стандартных фигур;
- мультипликация шаблонов, загружаемых из файла;
- генерация шаблонов по заранее заданному математическому выражению;
- генерация шаблонов по контуру, заданному графическим файлом;
- генерация немультиплицируемых шаблонов в stream-формате с возможностью
выбора различных режимов сканирования ФИП;
- конвертация растровых графических шаблонов в шаблоны stream-формата с
возможностью выбора режима сканирования ФИП.
Проведены экспериментальные исследования разработанного комплекса ПО и
методики повышения предельной точности воспроизведения топологического
рисунка шаблона. Параметры тестовых структур, полученных травлением по
разработанному комплекту шаблонов и по стандартному шаблону представлены в
таблице 1. Сравнение показывает повышение точности формирования
топологического рисунка на подложке при ионно-лучевом травлении ФИП с
использованием растровых шаблонов, полученных в разработанном ПО.
Таблица 1 – Параметры полученных структур
Комплект разработанных
Параметр
Стандартный шаблон
шаблонов
Отклонение
стенок
от
~15 º
< 1,5º
вертикали
Отклонение
полученного
~28%
< 3%
профиля от заданного
Отклонение
латеральных
1,95 мкм
0,45 мкм
размеров
16
В рамках ПНИ «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 в рамках ФЦП
коллективом НОЦ «Нанотехнологии» ЮФУ были проведены исследования,
разработка и изготовление туннельно-эмиссионного наномеханического
акселерометра (НМА) (рисунок 13) [1-3].
а)
б)
Рисунок 13 – Разработанный наномеханический акселерометр: а) - 3D
модель; б) - РЭМ-изображение после 3-5 фотолитографии.
При выполнении указанной ПНИ Громов А.Л., автор данной диссертационной
работы, решил задачу разработки технологии формирования чувствительного
элемента макета туннельно-эмиссионного наномеханического акселерометра
методом фокусированных ионных пучков. С использованием разработанного ПО
создан
комплект
растровых
шаблонов,
позволяющий
формировать
чувствительные элементы туннельно-эмиссионных акселерометров методом
фокусированных ионных пучков (рисунок 14).
а)
б)
в)
г)
д)
Рисунок 14 – Растровые графические шаблоны для формирования консолей
чувствительного элемента методом ФИП: а - №1; б - №2 и схемы травления по ним
в и г соответственно; д – шаблон №3 для формирования зазора
17
Для определения технологических параметров были проведены расчеты с
использованием математической модели (глава 2), которые позволили установить
режимы травления методом фокусированных ионных пучков по разработанному
комплекту шаблонов для формирования чувствительных элементов туннельноэмиссионного акселерометра.
Экспериментально сформированы чувствительные элементы макета туннельноэмиссионного акселерометра методом ФИП с использованием разработанного
комплекта шаблонов. На рисунках 15, 16 представлены РЭМ-изображения балки
чувствительного элемента до и после травления по шаблонам №1-2, а также РЭМизображения консолей чувствительного элемента после формирования в нем зазора
методом ФИП по шаблону №3 (рисунок 16).
а)
б)
Рисунок 15 – РЭМ-изображения балки чувствительного элемента: а – до
травления; б – после травления по шаблонам №1-2
а)
б)
Рисунок 16 – РЭМ-изображения балки чувствительного элемента (а) и зазора
сформированного методом ФИП по шаблону №3 (б)
Полученные результаты показывают, что применение разработанных
математических моделей и комплексов ПО позволяют формировать чувствительный
элемент заданных геометрических размеров с заданной точностью.
Используя результаты проведенных теоретических и экспериментальных
исследований, разработан технологический маршрут изготовления чувствительных
элементов туннельно-эмиссионных наномеханических акселерометров методом
18
фокусированных ионных пучков.
представлена на рисунке 17.
Блок-схема
технологического
маршрута
Рисунок 17 – Блок-схема технологического маршрута изготовления
чувствительных элементов туннельно-эмиссионных наномеханических
акселерометров методом фокусированных ионных пучков
Теоретическая вольтамперная характеристика была рассчитана для зазора 4,5 нм на
основании модели [4]. На рисунке 18 представлена теоретическая зависимость силы
тока от ширины зазора при напряжении 1,1 В и экспериментальная зависимость
изготовленного макета чувствительного элемента при различных значениях
давления на подвижную консоль. Анализ показывает соответствие
экспериментальных и теоретических результатов.
19
а)
б)
Рисунок 18 – Теоретическая [4] и экспериментальная ВАХ зазора шириной 4,5
нм (а); теоретическая зависимость тока от ширины туннельного зазора при
напряжении на зазоре 1.1 В и данные экспериментальных измерений при
приложении внешней силы: 1 – 0,66g; 2 – 0,33g; 3 – 0g (б)
По результатам исследований чувствительность элемента макета туннельноэмиссионного акселерометра составила ~0,98 мкА/g. Сравнение показало (таблица
2),
что
туннельно-эмиссионный
наномеханический
акселерометр
с
чувствительным элементом, сформированным методом ФИП по разработанному
технологическому маршруту имеет большие пределы измерений и
чувствительность.
Таблица 2 – Сравнительные характеристики акселерометров
Разработанный
Пьезорезистивный
Параметр
Туннельный [5] туннельноCE 134
эмиссионный
Пределы
±1.5g
±0.7g
±1.0g
измерений
Напряжение
2.4 – 3.6 В
0,02 – 1.0 В
0.9 – 4.0 В
питания
Количество
2
2
2
осей
Чувствительность 0,05 мкА/g
0,5 мкА/g
0,98 мкА/g
В заключении сформулированы основные результаты работы:
1. Проведен анализ основных физических и технологических параметров,
влияющих на формирование рельефа поверхности подложки при травлении
методом ФИП.
2. Разработана математическая модель формирования рельефа поверхности
подложек при ионно-лучевом травлении с учетом основных физических эффектов
и технологических параметров фокусированного ионного пучка, которая
позволяет прогнозировать параметры рельефа поверхности. Результаты
моделирования подтверждены полученными экспериментальными данными.
20
3. Экспериментально установлены закономерности влияния технологических
параметров фокусированного ионного пучка на геометрические параметры
профилируемых структур с учетом тока фокусированного ионного пучка,
количества проходов и времени воздействия ионного пучка в точке, а также
влияния режимов сканирования фокусированным ионным пучком на точность
воспроизведения топологии, заложенной в рисунке шаблона.
4. Разработан способ генерации растровых шаблонов для безмасочного
структурирования поверхности подложек методом фокусированных ионных
пучков, учитывающий основные физические эффекты и технологические
параметры фокусированного ионного пучка, режимы сканирования, а также
геометрические параметры формируемой структуры, позволяющий повысить
точность воспроизведения топологического рисунка.
5. Разработана методика оценки точности воспроизведения топологического
рисунка шаблона при травлении методом фокусированных ионных пучков.
Показано, что при переносе топологического рисунка шаблона на подложку для
достижения наименьшего отклонения латеральных размеров 9 нм необходимо
применять токи фокусированного ионного пучка менее 10 пА и производить
корректировку шаблонов с учетом параметров пучка и неравномерности
распределения интенсивности потока ионов в пучке.
6. Разработан комплекс программного обеспечения для расчета рельефа
поверхности подложек при ионно-лучевом травлении с учетом основных
физических эффектов и технологических параметров фокусированного ионного
пучка, на который получено свидетельство о государственной регистрации
программы для ЭВМ №2015610512, дата поступления 27.11.2014.
7. Разработан комплекс программного обеспечения для генерации растровых
шаблонов
для
безмасочного
структурирования
подложек
методом
фокусированных ионных пучков, учитывающий основные физические эффекты и
технологические параметры фокусированного ионного пучка, режимы
сканирования, а также геометрические параметры формируемой структуры
(Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ
№2014619279, дата поступления 21.07.2014).
8. Определены режимы наноразмерного профилирования поверхности кремния
методом ФИП. Показано, что при ионных токах до 30 пА, времени воздействия
пучка в точке до 500 мкс и количестве проходов от 50, в кремниевой подложке
можно получать структуры с отклонением стенки от вертикали ~1º, а для
достижения точности воспроизведения топологического рисунка шаблона 5%
необходимо использовать токи ионного пучка менее 10 пА и выполнять
корректировку растровых шаблонов с учетом технологических параметров пучка
и неравномерности распределения интенсивности потока ионов в фокусированном
пучке.
9. Разработан технологический маршрут формирования чувствительного
элемента туннельно-эмиссионного акселерометра методом фокусированных
ионных пучков.
21
В приложении описание расчета углов между направлением воздействия
фокусированного ионного пучка и нормалью к поверхности в точке воздействия,
направлением движения распыленных частиц материала подложки; описание
комплекса ПО для создания шаблонов для профилирования структур методом ФИП
без использования масок; исходный код комплекса ПО; акты о внедрении
результатов исследований диссертационной работы.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
1.
Патент 2415443 Российская Федерация, МПК G01P 15/18, B81B 7/00.
Многоосевой интегральный микромеханический туннельный акселерометр /
Коноплев Б.Г., Приступчик Н.К., Рындин Е.А.; – № 2009145066/28; заявл. 04.12.
2009; опубл. 27.03. 2011, Бюл. № 9.
2.
Патент 2289822 Российская Федерация, МПК G01P 15/135. Интегральный
микромеханический акселерометр на основе туннельного эффекта / Рындин Е.А.,
Приступчик Н.К.; – № 2005122968/28; заявл. 19.07. 2005; опубл. 20.12. 2006, Бюл.
№ 35.
3.
Патент 2298191 Российская Федерация, МПК G01P 15/14. Интегральный
микромеханический автоэмисионный акселерометр / Рындин Е.А., Приступчик
Н.К.; – № 2006105942/28; заявл. 26.02. 2006; опубл. 27.04. 2007, Бюл. № 9.
4.
Симмонс Д.Ж. Обобщенная формула расчета туннельного эффекта между
электродами, разделенными изолированной пленкой [Текст] / Д.Ж. Симмонс //
JAP. – 1963. – Том. 34 (6). – С. 1793-1803.
5.
Varun Kumar Single-mask field emsission based tunable MEMS tunneling
accelerometer / Varun Kumar, Xiaobo Guo, Siavash Pourkamali // Institute of Electrical
and Electronics Engineers Inc. – 2016. – P.1171-1174
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в журналах, периодических изданиях, включенных в список ВАК
РФ:
1.
Агеев О.А., Алексеев А.М., Внукова А.В., Коломийцев А.С., Громов А.Л.,
Коноплев Б.Г., Лисицын С.А. Моделирование рельефа поверхности подложки при
наноразмерном профилировании методом фокусированных ионных пучков //
Российские нанотехнологии.–2014.–№1-2.–Т.9.–С.44-49.
2.
Агеев О.А., Алексеев А.М., Внукова А.В., Громов А.Л., Коломийцев А.С.,
Коноплев Б.Г. Исследование разрешающей способности наноразмерного
профилирования методом фокусированных ионных пучков // Российские
нанотехнологии. – 2014. – Т. 9, № 1-2. – С. 40-43.
3.
Коломийцев А.С., Громов А.Л., Ильин О.И., Лисицын С.А., Катханов Б.С.
Субмикронное структурирование поверхности подложек кремния методом
фокусированных ионных пучков // Фундаментальные исследования.–2012.–№ 113.–C.615-618.
4.
Агеев О.А., Коломийцев А.С., Громов А.Л. Моделирование параметров
взаимодействия ионов галлия с кремниевой подложкой в методе фокусированных
ионных пучков // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион.
–2009. –С.162-164.
22
5.
Агеев О.А., Ильин О.И., Коломийцев А.С., Громов А.Л. Исследование
режимов субмикронного профилирования поверхности подложек кремния
методом фокусированных ионных пучков // Известия ЮФУ. Технические науки. –
2011. –№4. –С.171-180.
Тезисы докладов, опубликованные в трудах научных конференций
6.
Агеев О.А., Коломийцев А.С., Громов А.Л., Ильин О.И., Алябьева Н.И.
Исследование режимов формирования наноразмерных структур методами
фокусированных ионных пучков, электронной и зондовой микроскопии //
Материалы XXIII Российской конференции по электронной микроскопии «РЭМ2010».–Черноголовка.–2010.–С.173-174.
7.
Агеев О.А., Коломийцев А.С., Громов А.Л. Формирование стандартных
образцов для межлабораторных сличений методом фокусированных ионных
пучков // Материалы 17-й Всероссийской межвузовской научно-технической
конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2010».–
Москва.–2010 г .,–С.4.
8.
Агеев О.А., Коломийцев А.С., Громов А.Л., Ильин О.И. Разработка пакета
программ генерации растровых шаблонов для безмасочного структурирования
подложек методом фокусированных ионных пучков // Труды международной
научно-технической
конференции
и
молодежной
школы-семинара
«Нанотехнологии-2010».–Дивноморское.–2010 .–Ч. II.,–С.202-205.
9.
Ильин О.И., Коломийцев А.С., Громов А.Л. Субмикронное
профилирование полупроводниковых структур методом фокусированных ионных
пучков // Материалы седьмой ежегодной научной конференции студентов и
аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН.–Ростов-на-Дону.–
2011.–С.174-175
10. Агеев О.А., Коломийцев А.С., Громов А.Л. Исследование процессов
травления полупроводниковых материалов фокусированным ионным пучком //
Материалы XV Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника».–
Нижний Новгород.–2011.–С.426.
11. O.A. Ageev, B.G. Konoplev, V.A. Smirno, A.S. Kolomiytsev, A.L. Gromov.
Atomic-Force Microscopy Probe Modification By Focused Ion Beam // Proc. of “NGC
2011” Symposium and Summer School, Moscow, Russia. –2011. –P.175
12. Агеев О.А., Коломийцев А.С., Громов А.Л., Ильин О.И., Лисицын С.А.
Исследование режимов субмикронного профилирования подложек кремния
фокусированным ионным пучком // Труды XXIV российской конференции по
электронной микроскопии (РКЭМ-2012).–Черноголовка.–2012.–С.319-320
13. Коломийцев А.С., Громов А.Л., Шемерянкин А.А. Формирование
наноразмерных структур для зондовой нанодиагностики методом фокусированных
ионных пучков // Материалы XIX Российского симпозиума по растровой
электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел
«РЭМ-2015».–Черноголовка.–2015.–С.146-147.
23
Свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ:
14. Громов А.Л., Агеев О.А., Коломийцев А.С., Ильин О.И. Свидетельство о
государственной регистрации программы для ЭВМ «Комплекс программного
обеспечения для создания растровых шаблонов для безмасочного формирования
структур методом ФИП» (№ 2014619279, приоритет от 21.07.2014)
15. Громов А.Л., Коломийцев А.С., Агеев О.А. Свидетельство о
государственной регистрации программы для ЭВМ «Создание шаблонов для
формирования элементов автоэмиссионной наноэлектроники методом ФИП»
(№2015610512, приоритет от 27.11.2014).
В работах, опубликованных в соавторстве, лично автору принадлежат: в [1, 4, 8,
10] – проведение расчетов, обработка полученных результатов, разработка ПО; [23, 5, 7, 9, 12] – изготовление экспериментальных образцов и измерение их
характеристик; [6, 11, 13] – измерение характеристик экспериментальных
образцов; [14, 15] – написание заявки на свидетельство.
24
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа