автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Управление рельефом поверхности самоупорядоченных глобулярных микроструктур для изделий электронной техники

На правах рукописи

УДК 539.234

Моисеев Константин Михайлович

УПРАВЛЕНИЕ РЕЛЬЕФОМ ПОВЕРХНОСТИ САМОУПОРЯДОЧЕННЫХ ГЛОБУЛЯРНЫХ МИКРОСТРУКТУР ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Специальность: 05.27.06 - Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2012

005046055

005046055

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Панфилов Юрий Васильевич

Официальные оппоненты:

Слепцов Владимир Владимирович, доктор технических наук, профессор, МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского, заведующий кафедрой

Митрофанов Евгений Аркадьевич, кандидат технических наук, ФГУП «НИИВТ им. С. А. Векшннского», заведующий лабораторией

Ведущая организация:

ОАО «НИИ точного машиностроения»

Защита состоится «¿¿¿j>_мая_2012 г. в часов на заседании дис-

сертационного совета Д212.141.18 при Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г.Москва, ул. 2-я Бауманская, д. 5, стр.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просьба направлять по адресу: 105005, Москва, ул. 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1.

Автореферат разослан « » апреля 2012 г.

Телефон для справок: (499) 267-09-63

Ученый секретарь

диссертационного совета I™ __

доктор технических наук, профессор Цветков Ю. Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ктуальность темы

Уменьшение геометрических размеров элементов и приборов микроэлектро-ики с сохранением требуемых значений выходных параметров всегда являлось ак-уальной задачей. В последнее время, в связи с бурным развитием нанотехнологий, гдельные фрагменты электронных приборов, а иногда и сами приборы целиком ыполнены в нанометровом масштабе.

Одной из отличительных особенностей объектов микроэлектроники является ггулярность расположения элементов (транзисторов, эмиссионных центров, мик-опор, и др.). Формирование таких упорядоченных структур микро и нанометрового иапазона на данный момент осуществляется различными литографическими мето-ами. Однако данные методы работают уже на пределе своих возможностей, что риводит к увеличению общей трудоемкости их изготовления и удорожанию техно-огии. Во всем мире осуществляется активный поиск и разработка новых технолога, основанных на физических процессах самоорганизации систем, которые позво-или бы повысить разрешающую способность и технологичность. Благодаря дости-:ениям в области технологий создания самоорганизующихся упорядоченных нано-груктур (фуллеренов, углеродных нанотрубок, нанопористого анодного оксида пюминия, синтетических опаловых матриц и др.) в последние годы появилось ольшое количество исследований, посвященных их применению в микро и нано-пектонике. Причем некоторые структуры (фуллерены, нанотрубки) могут исполь-эваться самостоятельно, тогда как другие (нанопористый анодный оксид алюми-ия, синтетическая опаловая матрица) являются основой и требуют дальнейшей мо-ификации с использованием дополнительных технологических операций.

Наиболее ярким и актуальным применением, в котором требуются как упоря-оченность элементов, так и форма каждого элемента, являются автоэмиссионные атоды, являющиеся компонентами ряда приборов микроэлектроники (вакуумные йоды, триоды, ЭЛТ, ионные источники, FED дисплеи и т.д.). Основные преимуще-гва вакуумных автоэлектронных приборов перед полупроводниковыми приборами приборами, основанными на термоэмиссии, обусловлены физической природой втоэлектронной эмиссии: малая инерционность, высокая стойкость к воздействию емпературы и радиации, низкие напряжения, малый разброс энергий электронов, акже для автоэлектронных микроприборов характерно сверхвысокое быстродейст-ие вследствие переноса электронов от катода к аноду за очень короткое время (ме-ее одной пикосекунды).

Классическими автоэмиссионными материалами являются элементы вольфрам (\У), углерод (С), и некоторые соединения (например, ЬаВ6 и А120з). Особое внимание из этих материалов в последнее время уделяется углероду в связи с его особыми структурами - углеродными нанотрубками.

В качестве материала основы (подложки), как правило, используют кремниевые и стеклянные пластины - для планарных катодов большой площади, либо конструкционные материалы (металлы) для катодов электровакуумных приборов. Однако общим является то, что поверхность основы - гладкая, а автоэмиссионный рельеф формируется литографическими методами.

Синтетические опаловые матрицы имеют наибольшую перспективу для применения как в автоэмиссионных катодах, так и в других изделиях микроэлектроники - газовых сенсорах, оптических волноводах, сенсорах для возбуждения плазмонного резонанса и др. Для автоэмиссионных катодов требуется острийная форма с минимально возможным (в идеале порядка 10 нм) радиусом кривизны каждой глобулы, для газовых сенсоров требуется максимально развитая форма поверхности газочувствительного материала, для волноводов - кратность длине волны. Как правило, данные задачи решаются вакуумными методами формирования тонкопленочных покрытий.

Исследованиями формирования упорядоченных самоорганизующихся структур и приборов на их основе занимались Самойловнч М.И., Белянин А.Ф., Булыгина Е.В. (формирование, исследование свойств и создание приборов на основе синтетических опаловых матриц), Татаренко Н.И., Кравченко В.Ф. (формирование и применение упорядоченных структур в технологии автоэмиссионной микроэлектроники), Суетин Н.В., Пащенко П.В., Ильичев Э.А., Петрухин Г.Н. (формирование углеродных наноструктур для автокатодов, в т.ч. на структурированных поверхностях), Шешин Е.П. (автоэмиссионные свойства углеродных материалов), Татаринова Н.В. (вакуумная электроизоляция и природа автоэлектронной эмиссии) и другие ученые.

На сегодняшний день в области создания приборов микро и наноэлектроники на регулярных самоупорядоченных структурах остаются открытыми вопросы управления структурой поверхности рельефообразующего слоя, поскольку именно в этом состоит основное отличие технологий формирования изделий в целом: в классической технологии рельеф формируется литографическими методами на плоской подложке, тогда как при использован™ принципа самоупорядоченности необходимо модифицировать рельефообразующий слой.

Таким образом, возникла необходимость разработки технологии управления рельефом поверхности регулярных структур, проверки классической теории формирования тонкопленочных покрытий различными методами на таких структурах, а 2

1кже разработки специального лабораторного вакуумного оборудования для реали-щии этих задач.

[ель работы

Создание методики формирования и управления формой рельефа поверхности шоупорядоченных глобулярных структур для их использования в устройствах икро и наноэлектроники.

адачн исследований

1. На основании анализа исследований в области создания устройств микро-пектроники на основе синтетических опаловых матриц определить наиболее эф-1ективные методы их модификации.

2. Разработать математические модели изменения рельефа поверхности синте-ических опаловых матриц методами нанесения тонких пленок в вакууме и ионного равления.

3. Создать лабораторное оборудование, позволяющее проводить исследование лияния на процесс модификации синтетических опаловых матриц различных мето-ов нанесения тонких пленок и ионного травления.

4. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать [етодику практической реализации выбранных методов модификации рельефа по-ерхности синтетических опаловых матриц.

[аучная новизна работы

1. Впервые построены математические модели модификации рельефа поверх-ости самоупорядоченных глобулярных наноструктур - синтетических опаловых [атриц, при формировании на их поверхностях тонкопленочных покрытий и при их онном травлении.

2. Теоретически и экспериментально подтверждено, что для эффективного правления рельефом синтетических опаловых матриц требуется комбинация мето-ов вакуумного осаждения и ионно-лучевого травления тонкопленочных покрытий.

3. Впервые для метода магнетронного распыления и ионно-лучевого травле-:ия пленки "П на синтетической опаловой матрице экспериментально получены еометрические характеристики рельефа поверхности в зависимости от толщины сажденного тонкопленочного покрытия и глубины его травления.

1рактическая ценность работы

1. В результате анализа существующих методов нанесения тонкопленочных

3

покрытий и вакуумно-плазменного травления разработана лабораторная установка для проведения исследований по управлению рельефом самоупорядоченных глобулярных микроструктур, объединяющая методы магнетронного распыления и ионно-лучевого травления в едином технологическом цикле.

2. Выявлены наиболее эффективные технологические режимы магнетронного распыления и ионно-лучевого травления, позволяющие управлять процессом модификации рельефа поверхности самоупорядоченных глобулярных микроструктур — синтетических опаловых матриц.

Степень достоверности полученных результатов

Достоверность основывается на проведенном комплексном анализе результатов теоретических данных и экспериментальных исследований. Сформулированные в диссертации научные положения, выводы и рекомендации обоснованы теоретическими решениями и экспериментальными данными и не противоречат известным положениям.

На защиту выносятся

1. Результаты анализа современных методов формирования упорядоченных микроструктур с заданными геометрическими свойствами, согласно которым наиболее перспективными являются методы, использующие принцип самоорганизации.

2. Результаты математического моделирования рельефа поверхности синтетической опаловой матрицы при ее модификации, согласно которым наиболее эффективное управление рельефом поверхности осуществляется комбинацией вакуумных методов нанесения тонкопленочных покрытий и ионно-лучевого травления.

3. Результаты исследований рельефа поверхности синтетических опаловых матриц с тонкопленочными титановыми покрытиями, согласно которым модификация поверхности исходной опаловой матрицы методами магнетронного распыления и ионно-лучевого травления позволяет эффективно управлять формой самоупорядоченных глобулярных микроструктур.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на VIII и XI Молодежной научно-технической конференции учащихся, студентов, аспирантов и молодых ученых «Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы» (Москва, 2006 и 2009), на 1-й и 2-й Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2008-2009), на 1-й и 2-й Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по 4

аправлению «Наноинженерия» (Москва-Калуга, 2008-2009), на Международной онференции «Вопросы инженерной нанотехнологии» (Москва, 2008), на XI, XII, lili, XIV Международной научно-технической конференции «Высокие технологии промышленности России» (Москва, 2005-2008), на XVII и XXII Международном нмпозиуме «Тонкие пленки в электронике» (Москва, 2005, 2009), на IV междуна-одной научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и техно-огия» (Москва, 2009), на XVI, XVIII научно-технической конференции с участием фубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (Ялта, 2008, Сочи, 2010).

1недрснис результатов работы

Материалы диссертационной работы и полученные результаты использованы:

1. В ОАО «НИИТМ» при разработке нового технологического оборудования.

2. В учебном процессе кафедры «Электронные технологии в машинострое-ии» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Также результаты работы целесообразно использовать при проектировании ерспективной элементной базы функциональных изделий автоэмиссионной элек-роники, оптоэлектроники, волоконной и интегральной оптики, микро и наноэлек-роники, а предложенную компоновку лабораторной вакуумной установки и техно-огические варианты модификации синтетических опаловых матриц рекомендуется спользовать во ФГУП «НИИ физических проблем им. Ф.В. Лукина», ФГУП «НПП Торий», а также в других предприятиях, связанных с изготовлением изделий авто-миссионной электроники и вакуумного технологического оборудования для их роизводства.

Губликации

По теме диссертации опубликованы 2 статьи в рецензируемых научных жур-¡алах и 9 докладов на всероссийских и международных научно-технических конфе-енциях.

1ичный вклад автора

Проведение аналитического обзора современного состояния самоупорядочен-[ЫХ регулярных микроструктур с целью их применения в изделиях электронной ехники, определение требований к рельефу поверхности синтетических опаловых гатриц для их использования в автоэмиссионных катодах, разработка методики мо-[ификации рельефа поверхности синтетической опаловой матрицы вакуумными ме-одами осаждения тонкопленочных покрытий и ионного травления, и ее реализация ia созданном лабораторном вакуумном оборудовании, исследование полученных

5

экспериментальных образцов, обработка экспериментальных данных и выдача рекомендаций по использованию результатов работы.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 87 наименований. Работа содержит 139 страниц машинописного текста, в том числе 13 таблиц и 89 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, определена цель и поставлены задачи работы, сформулированы положения, определяющие новизну и практическую ценность полученных результатов, перечислены положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлены результаты анализа текущего состояния, тенденций развития и перспектив использования регулярных самоупорядоченных структур в изделиях микро и наноэлектроники. Показано, что автоэмиссионные катоды являются наиболее ярким применением, в котором реализуются все преимущества таких самоупорядоченных структур, в частности, синтетических опаловых матриц.

Самоупорядоченные глобулярные структуры, такие как синтетические опаловые матрицы, в последнее время активно рассматриваются как перспективные для использования их в функциональных элементах микро и наноэлектроники: планар-ные транзисторы и диоды, квантовые точки, автоэмиссионные матричные катоды и ряд других. Общими параметрами для таких функциональных элементов являются высочайшая плотность упаковки элементов (до 107 шт./мм2), субмикронные размеры самих элементов (сотни и десятки нм), правильная геометрическая форма элементов (параллелепипеды, конусы, пирамиды). С точки зрения реального применения данные элементы должны быть воспроизводимы, должны иметь возможность изготавливаться методом групповой обработки, а технология их производства должна быть относительно недорогой.

Наиболее наглядно данные характеристики прослеживаются на матричных автоэмиссионных катодах, для которых характерен массив элементов определенной формы - остриев, с плотностью упаковки до 105 шт./мм2. Такие катоды формируются с использованием фотолитографии, вакуумных методов осаждения тонкопленочных покрытий и ионно-плазменного травления.

В последнее время для матричных автоэмиссионных катодов появился ряд материалов, упорядоченная структура и геометрия характерных элементов которых 6

оздается по принципу самоорганизации еще на этапе их формирования - углерод-:ые наноструктуры (фуллерены, нанотрубки, нанонити), нанопористый анодный ок-ид алюминия и синтетические опаловые матрицы. Принцип самоупорядочивания самоорганизации, самосборки) позволяет без использования литографических опе-аций получать регулярные массивы элементов, причем технология их получения озволяет управлять параметрами элементов, прежде всего - геометрическими раз-гсрами. Так, например, диаметр опаловых глобул может составлять от 100 до ООО нм и задается еще на этапе формирования самой синтетической опаловой матицы.

Работы Белянина А.Ф. и Самойловича М.И. по использованию модифициро-анных опаловых матриц в автоэмиссионных катодах, показали перспективность их [спользования, а предварительные эксперименты по формированию тонкопленоч-[ых покрытий на поверхности синтетических опаловых матриц различными мето-;ами доказали возможность управления формой рельефа поверхности в зависимости 'Т метода осаждения, однако открытыми остаются вопросы выбора методов и тех-¡ологических режимов процесса модификации, а также влияния процесса модифи-ации на характеристики синтетических опаловых матриц.

Во второй главе представлено математическое моделирование рельефа по-ерхности синтетической опаловой матрицы при его модификации методами ваку-много осаждения и ионно-лучевого травления тонкопленочных покрытий, и про-нализированы его результаты на примере требований к рельефу для автоэмиссион-их катодов.

Анализ зависимости Фаулера-Нордгейма показывает, что плотность авто-миссионного тока для одного и того же материала значительно зависит от радиуса ривизны острия (микронеровности). Например, изменение радиуса кривизны от 0 нм до 45 нм при постоянном расстоянии между катодом и анодом в 100 мкм для нешнего напряжения между электродами в 50 В приводит к уменьшению плотно-ти автоэмиссионного тока от 1,8-105 А/см2 до 6,4-10"5 А/см2 даже для таких мате-шалов, как углеродные наноструктуры (нанотрубки) с работой выхода порядка эВ. В то же время, расстояния между регулярными структурами (остриями авто-миссионного катода) также влияют на общую плотность автоэмиссионного тока. )птимальными считаются расстояния порядка 400 нм.

Данные требования приводят к необходимости формирования регулярного гассива элементов (остриев) с заданным шагом и геометрией элементов.

Современные технологии формирования самоупорядоченных структур, таких :ак синтетические опаловые матрицы, позволяют еще в процессе формирования ре-улировать размеры глобул, а, следовательно, и расстояние между ними, в результа-

7

те чего поверхность синтетической опаловой матрицы представляет собой упорядоченный массив полусфер с заданными размерами. Используя методы вакуумного осаждения тонкопленочных покрытий можно изменять рельеф поверхности в зависимости от метода осаждения и его параметров.

Аналитические исследования процесса формирования тонких пленок на неплоских поверхностях, в т.ч. и сферических, показали, что современными термическими и ионно-плазменными методами осаждения можно изменять исходную форму поверхности, причем полученная геометрия исходной поверхности с тонкопленочным покрытием зависит от метода осаждения. Показано, что варьируя параметры методов осаждения можно добиться примерно равных условий осаждения для термических и ионно-плазменных методов, при которых процесс осаждения описывается законом Кнудсена.

Рассмотрены физические модели и проведено математическое описание изменения формы глобул синтетической опаловой матрицы при осаждении тонкопленочного покрытия и при ионном травлении по отдельности. Теоретически показано, что при осаждении тонкопленочного покрытия на отдельной полусферической поверхности происходит незначительное увеличение радиуса кривизны и увеличивается аспектное соотношение, тогда как при ионном травлении происходит уменьшение радиуса кривизны, а полусфера в конечном итоге полностью стравливается.

В результате анализа методов и условий осаждения и травления, в т.ч. и на основании предварительных экспериментов, для эффективного управления формой поверхности целесообразно объединить в едином вакуумном цикле операции осаждения и ионного травления, причем первым должен быть процесс осаждения тонкопленочного покрытия.

Для оценки последовательности процессов была составлен алгоритм методики, реализованный в среде МаЛСаё, описывающий процессы осаждения тонкопленочного покрытия и его травления, в том числе и комбинацию этих двух методов. В результате моделирования выявлено, что при осаждении тонкопленочного покрытия на опаловую глобулу (полусферу) изменения радиуса кривизны не происходит (рис. 1, а), тогда как при ионном травлении радиус кривизны значительно изменяется (рис. 1, б).

Приведенные результаты моделирования позволяют говорить о том, что вакуумные методы осаждения и травления тонкопленочных покрытий позволяют управлять рельефом поверхности таких структур, как синтетические опаловые матрицы.

Функционал модели позволяет выводить результат в графическом виде: форма сечения глобулы и трехмерная модель (рис. 2). Кроме того, реализована возмож-

ность использования изображений, полученных на сканирующих зондовых микроскопах, в качестве начальной формы модифицируемой поверхности.

г, н.м г, нм

Л. нм

6. нм

а) б)

Рис. 1. Изменение радиуса кривизны идеальной глобулы при ее модификации осаждением тонкопленочного покрытия (а) и ионным травлением (б)

400

а) б)

Рис. 2. Представление результатов моделирования: форма сечения опаловой глобулы (а) и трехмерная модель (б)

Третья глава посвящена разработке лабораторного технологического оборудования, реализующего вакуумные методы осаждения и травления тонкопленочных покрытий.

Одним из главных условий реализации технологии модификации рельефа ло-^рхности синтетических опаловых матриц, осуществляемой комбинацией методов ¡акуумного осаждения и травления тонкопленочных покрытий, является объединение в одной установке технологических источников, реализующих эти методы, (роме того, в случае формирования автоэмиссионных катодов желательно, чтобы в установке присутствовала возможность, позволяющая в едином вакуумном цикле

производить как модификацию поверхности, так и формирование автоэмиссионного покрытия.

Для реализации данных условий была собрана лабораторная вакуумная установка (рис. 3).

б) г)

Рис. 3. Внешний вид лабораторной вакуумной установки (а, б) и расположение внутрикамерных элементов (в, г): 1 - магнетронная распылительная система, 2 - ввод вращения подложкодержателя, 3 - подложкодержатель, 4 - галогенная лампа, 5 — дуговой испаритель, 6 - автономный источник ионов

Для реализации метода магнетронного распыления был специально разработан бестрансформаторный источник питания постоянного тока, а замена материала постоянных магнитов магнитной системы магнетрона позволила повысить скорость распыления Т1 и N1 в 2 раза.

Для увеличения стабильности работы автономного источника ионов с холодным катодом (АИИ) был в значительной степени модернизирован блок питания

АИИ, что позволило увеличить диапазон энергий ионов в пучке до 10 кэВ. Посредством АИИ осуществляется ионное травление, ионное ассистирование и активация одложки перед осаждением покрытия, а также при введении в плазму углеродсо-гержащего газа - осаждение углеродного покрытия.

При отработке режимов формирования покрытий методом магнетронного : аспыления с предварительной активацией поверхности ионами аргона посредством ЛИИ было обнаружено уменьшение шероховатости покрытия в 5 раз (с 30 нм до 3 нм), причем шероховатость уменьшается как при обработке поверхности до осаж-г.ения покрытия, так и при обработке покрытия после его осаждения.

На дуговом испарителе торцевого типа ИД-200-01 реализовано распыление рафитовой мишени и отработаны режимы осаждения тонкопленочных покрытий, в ом числе и с обработкой ионами аргона до или после формирования углеродного окрытия. При этом шероховатость углеродного покрытия также зависит от наличия ионной обработки.

В результате разработаны технологические варианты (рис. 4), реализующие в дином вакуумном цикле различные комбинации методов формирования покрытий :ак для модификации рельефа поверхности опаловой матрицы, так и для формиро-ания автоэмиссионного слоя.

\ЛгАМ

Л!:

ъ ч

£>7

а)

б)

в)

Ж

г) Д)

Рис. 4. Технологические варианты реализации тонкопленочных покрытий на

установке ВУП: осаждение однокомпонентных покрытий и травление (а), осаждение с ионным ассистированием (б), осаждение ионно-лучевым распылением (в), осаждение многокомпонентных покрытий (г), осаждение многослойных покрытий (д)

На данном оборудовании отрабатывались технологические режимы формирования тонкопленочных покрытий Ti и Ni магнетронным распылением на постоянном токе и С дуговым испарением на ситалловых подложках и на поверхности синтетических опаловых матриц, ионной обработки посредством АИИ поверхности ситалловых подложек и синтетических опаловых матриц, а также комбинации данных методов.

Кроме того, формирование покрытий Bi термическим испарением проводилось на установке УВН-1М.

При проведении аналитических исследований полученных тонкопленочных структур было задействовано различное оптико-электронное и измерительное оборудование, а именно сканирующий зондовый микроскоп «Solver Next» и микроинтерферометр «МИИ-4».

В четвертой главе представлены результаты исследований рельефа поверхности синтетической опаловой матрицы после ее модификации методами термического испарения, магнетронного распыления, ионного травления и их комбинацией, полученного на экспериментальном оборудовании.

В экспериментах использовались синтетические опаловые матрицы с размерами глобул 400±10нм, сформированные на подложках из полированного крем-нияЮхЮ мм методом седиментации. Толщина опаловой матрицы не превышала 1 мм.

В результате исследований было обнаружено, что при осаждении тонкопленочных покрытий Ti (З0...800нм, рис.5) методом магнетронного распыления на постоянном токе и Bi (100...800 нм) методом термического испарения, радиус кривизны увеличивался пропорционально толщине осаждаемого покрытия.

При травлении ионами аргона синтетической опаловой матрицы обнаружилось, что при невысоких энергиях ионов (до 0,5 кэВ), изменений в рельефе поверхности не происходит. При энергиях ионов, достаточных для ионного травления (более 4 кэВ), происходит охрупчивание и растрескивание синтетической опаловой матрицы, в том числе и с нанесенными пленками титана (30...50 нм), вызванное перегревом поверхности, тогда как при травлении пленок Ti (100...800 нм), нанесенного на поверхность опаловой матрицы, такого эффекта не наблюдается. Следствием данного эффекта является то, что при модификации поверхности опаловой матрицы первой операцией должно быть осаждение тонкопленочного покрытия, причем толщина покрытия должна быть не менее 100 нм.

В результате исследований рельефа поверхности опаловой матрицы после процесса ионного травления нанесенных на нее магнетронным распылением пленок 12

'О (400...650 нм) было подтверждено уменьшение радиуса кривизны (рис. 6), однако арактер изменения формы отличается от модели.

, 300*4«

X

Г 1

X

0 too 200 300 500 600 700 800 900

Рис. 5. Изменение радиуса кривизны синтетической опаловой матрицы от толщины осаждаемого методом магнетронного распыления тонкопленочного покрытия Ti

О 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Рис. 6. Изменение радиуса кривизны тонкопленочного покрытия И, осажденного на поверхность синтетической опаловой матрицы, от глубины ионно-лучевого травления

На образцах с пленками толщиной 700...800 нм при продолжительном трав-_ ении на вершинах глобул обнаружены дополнительные структуры, радиус кривизны которых в 2 раза меньше радиуса кривизны глобул (рис. 7). Данные структуры, р с д п о л о ж итс л ь н о, являются следствием перераспыления тонкопленочного покрытия.

/

2,5 '

2'° fjm

а)

б)

Рис. 7. Рельеф поверхности опаловой матрицы с нанесенной пленкой Ті после тонного травления: изображение с СЗМ (а) и формы профиля рельефа опаловой матрицы до и после травления (б)

В результате формирования автоэмиссионного слоя углеродных наноструктур : іетодом СУО на модифицированных синтетических опаловых матрицах и исследо-

ваний свойств полученных автоэмиттеров установлена принципиальная возможность стабильного роста углеродных нанотрубок (рис. 8, а) на подложках с упорядоченным рельефом.

Сравнение измеренных параметров полученного автоэмиссионного катода (рис. 8, б), таких как пороговое напряжение (3 В/мкм) и плотность автоэмиссионного тока (8 мкА/мм2) позволяют считать автоэмиссионные катоды данного типа перспективными для использования в устройствах автоэмиссионной электроники.

а) б)

Рис. 8. Модифицирования опаловая матрица с углеродными нанотрубками: изображение со сканирующего электронного микроскопа (а) и ВАХ в сравнении с другими типами автокатодов (б)

Общие выводы

1. Проведенный анализ материалов и технологий создания регулярных структур на поверхности изделий микроэлектроники показал, что для формирования необходимой топологии автоэмиттеров, газовых сенсоров, волноводов и т.д. рекомендуется использовать самоупорядоченные глобулярные микроструктуры на основе синтетических опаловых матриц, формируемых по принципу самоорганизации и имеющих необходимые геометрические характеристики.

2. Наиболее эффективным средством модификации (управления) рельефа самоупорядоченных глобулярных наноструктур является комбинация вакуумного осаждения тонкопленочных покрытий магнетронным распылением и ионно-лучевого травления, т.к. они позволяют сократить число литографических операций для получения функциональных элементов изделия, например, автоэлектронных эмиттеров.

3. Для оценки формы рельефа поверхности регулярных упорядоченных структур при ее модификации вакуумными методами термического испарения, ионно-плазменного распыления и ионно-лучевого травления тонкопленочных покрытий рекомендуется использовать разработанную методику, описывающую косинусои-14

альные зависимости скоростей осаждения и травления на субмикронном глобуляр-ом рельефе поверхности, позволяющую выводить результаты в графическом виде рассчитывать радиус кривизны в любой точке поверхности.

4. Проведенные исследования показали, что при модификации поверхности акуумными методами осаждения тонкопленочных покрытий толщиной 30...800 нм роисходит увеличение радиуса кривизны профиля опаловых глобул, пропорцио-альное толщине наносимого покрытия, причем этот эффект не зависит от метода саждения.

5. При исследовании рельефа поверхности синтетических опаловых матриц с анесенными тонкими пленками Ti толщиной 650...800 нм обнаружено пропорцио-альное уменьшение радиуса кривизны профиля опаловых глобул в зависимости от тубины (50...400нм) ионно-лучевого травления, однако при продолжительном равлении (520 нм) на глобулах появляются дополнительные выступы вследствие }>фекта перераспыления.

6. При модификации поверхности синтетической опаловой матрицы методами агнетронного распыления и ионно-лучевого травления в едином вакуумном цикле еобходимо следовать разработанным рекомендациям:

• первой операцией необходимо осуществлять нанесение тонкопленочного покрытия, толщина которого должна быть достаточна для предотвращения растрескивания опаловой матрицы при последующем ионном травлении (не менее 100 нм для тонкопленочных покрытий Ti), при этом энергия ионов должна быть минимально необходимой для реализации процесса травления (порядка 2 кэВ для пленок Ti).

• толщина тонкопленочного покрытия должна обеспечивать возможность ионного травления на требуемую глубину с сохранением сплошности покрытия. Для этого толщина должна превышать глубину последующего травления не менее, чем в 2 раза.

Основные работы по теме диссертации

1. Моисеев K.M., Панфилов Ю.В. Формирование углеродных наноструктур ля эмиссионной электроники на вакуумном универсальном посту // Тонкие пленки электронике. Материалы XVII Международного симпозиума. М.: 2005. С. 493-497.

2. Залесов А.Н., Моисеев K.M. Многопозиционная вакуумная установка для юрмирования углеродных наноструктур // Наукоемкие технологии и интеллекту-льные системы. Материалы VIII Молодежной международной научно-технической онференции. М.: 2006. С. 136-138.

3. Импульсный бестрансформаторный источник питания для магнетронных распылительных систем / K.M. Моисеев [и др.] // Высокие технологии в промышленности России (Материалы и устройства функциональной электроники и микро-фотоники). Материалы XII Международной научно-технической конференции. М.: 2006. С. 252-254.

4. Исследование автоэмиссионных свойств углеродных нанотрубок на опаловых матрицах / K.M. Моисеев [и др.] // Нано- и микросистемная техника. 2008. №6. С. 10-13.

5. Формирование требуемого рельефа поверхности экспериментального катода на основе опаловой матрицы / K.M. Моисеев [и др.] // Высокие технологии в промышленности России (Материалы и устройства функциональной электроники и микрофотоники). Материалы XIV Международной научно-технической конференции. М.: 2008. С. 109-112.

6. Моисеев K.M., Янович C.B. Модификация рельефа поверхности опаловой матрицы ионно-лучевым травлением для автоэмиссионных катодов // Наноинжене-рия-2008. Сборник трудов Первой всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия». Калуга-Москва.: 2008. С. 66-70.

7. Панфилов Ю.В., Моисеев K.M. Использование опаловых матриц в автоэмиссионной электронике // Вакуумная техника, материалы и технология. Материалы IV международной научно-технической конференции. М.: 2009. С. 111-113.

8. Моисеев K.M., Янович C.B. Влияние ионной обработки на шероховатость тонкопленочных покрытий нанометровых толщин // Будущее машиностроения России. Сборник трудов Четвертой всероссийской конференции молодых ученых и специалистов. М.: 2009. С. 296-298.

9. Беседина К.Н., Моисеев K.M. Особенности формирования опаловых матриц // Наноинженерия-2009. Сборник трудов Второй всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия». Калуга-Москва.: 2009. С. 24-26.

10. Перспективы создания средств восприятия и преобразования на основе фотонных кристаллов / K.M. Моисеев [и др.] // Датчики и системы. №7. 2011. С. 6977.

11. Моисеев K.M., Янович C.B., Панфилов Ю.В. Модификация поверхности синтетической опаловой матрицы вакуумными методами // Наноинженерия. №1. 2012. С. 4-7.

Подписано в печать 19.04.2012г.

Усл.п.л. - 1.0 Заказ №08623 Тираж: ЮОэкз.

Копицентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ru

61 12-5/2571

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

На правах рукописи

Моисеев Константин Михайлович

УПРАВЛЕНИЕ РЕЛЬЕФОМ ПОВЕРХНОСТИ САМОУПОРЯДОЧЕННЫХ ГЛОБУЛЯРНЫХ МИКРОСТРУКТУР ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ

ТЕХНИКИ

Специальность: 05.27.06 - Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

/

Научный руководитель

* ' У/

Панфилов Ю.В.

■/д.т.н., профессор

Москва, 2012

Содержание

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

ГЛАВА 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ САМОУПОРЯДОЧЕННЫХ СТРУКТУР В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ..........................................................................................13

1.1. Самоупорядоченные глобулярные структуры................................................13

1.2. Требования к автоэмиссионным катодам........................................................14

1.3. Автоэмиссионные наноструктуры....................................................................23

1.4. Приборы на основе автоэмиссионных структур.............................................39

1.5. Тенденции развития автоэмиссионных катодов.............................................50

ВЫВОДЫ К ПЕРВОЙ ГЛАВЕ................................................................................51

ГЛАВА 2. ФОРМИРОВАНИЕ АВТОЭМИССИОННОГО РЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТИ СИНТЕТИЧЕСКОЙ ОПАЛОВОЙ МАТРИЦЫ......................52

2.1. Общие требования к автоэмиссионным материалам и их поверхности......52

2.2. Модификация рельефа поверхности синтетической опаловой матрицы методами вакуумного осаждения тонкопленочных покрытий и ионного травления....................................................................................................................63

2.2.1. Модификация рельефа поверхности синтетической опаловой матрицы осаждением тонкопленочных покрытий.............................................64

2.2.2. Модификация рельефа поверхности опаловой матрицы ионным травлением..............................................................................................................69

2.2.3. Формирование автоэмиссионного рельефа комбинацией методов осаждения и травления..........................................................................................73

2.3. Моделирование процесса модификации рельефа поверхности опаловой матрицы......................................................................................................................76

ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ.............................................................................83

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАДАННОГО РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ.......................84

3.1. Вакуумный универсальный пост......................................................................84

3.2. Магнетронная распылительная система на постоянном токе.......................89

3.3. Автономный источник ионов............................................................................94

3.4. Дуговой испаритель торцевого типа................................................................98

3.5. Технологические варианты реализации процесса модификации рельефа поверхности синтетических опаловых матриц....................................................101

ВЫВОДЫ К ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ.............................................................................104

ГЛАВА 4. ФОРМИРОВАНИЕ АВТОЭМИССИОННОГО РЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТИ СИНТЕТИЧЕСКОЙ ОПАЛОВОЙ МАТРИЦЫ ВАКУУМНЫМИ МЕТОДАМИ............................................................................105

4.1. Строение, свойства и формирование опаловых матриц...............................105

4.2. Модифицирование термическим испарением...............................................109

4.3. Модифицирование магнетронным распылением.........................................110

4.4. Модифицирование рельефа поверхности опаловых матриц методами ионно-лучевого травления.....................................................................................115

4.4.1. Травление исходной опаловой матрицы.................................................115

4.4.2. Травление модифицированной методами вакуумного осаждения опаловой матрицы...............................................................................................118

4.5. Альтернативные способы использования модифицированных опаловых матриц в изделиях автоэмиссионной электроники.............................................123

4.5.1. Автоэмиссионные катоды на углеродных нанотрубках........................123

4.5.2. Автоэмиссионные катоды на инверсном опале......................................126

ВЫВОДЫ ПО 4-Й ГЛАВЕ.....................................................................................128

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.................................................................................................130

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................132

Введение

Уменьшение геометрических размеров элементов и приборов микроэлектроники с сохранением требуемых значений выходных параметров всегда являлось актуальной задачей. В последнее время, в связи с бурным развитием нанотехнологий, отдельные фрагменты электронных приборов, а иногда и сами приборы целиком выполнены в нанометровом масштабе.

Одной из отличительных особенностей объектов микроэлектроники является регулярность расположения элементов (транзисторов, эмиссионных центров, микропор, и др.). Формирование таких упорядоченных структур микро и нанометрового диапазона на данный момент осуществляется различными литографическими методами. Однако данные методы работают уже на пределе своих возможностей, что приводит к увеличению общей трудоемкости их изготовления и удорожанию технологии. Во всем мире осуществляется активный поиск и разработка новых технологий, основанных на физических процессах самоорганизации систем, которые позволили бы повысить разрешающую способность и технологичность. Благодаря достижениям в области технологий создания самоорганизующихся упорядоченных наноструктур (фуллеренов, углеродных нанотрубок, нанопористого анодного оксида алюминия, синтетических опаловых матриц и др.) в последние годы появилось большое количество исследований, посвященных их применению в микро- и наноэлектонике. Причем некоторые структуры (фуллерены, нанотрубки) могут использоваться самостоятельно, тогда как другие (нанопористый анодный оксид алюминия, синтетическая опаловая матрица) являются основой и требуют дальнейшей модификации с использованием дополнительных технологических операций.

Наиболее ярким и актуальным применением, в котором требуются как упорядоченность элементов, так и форма каждого элемента, являются автоэмиссионные катоды, являющиеся компонентами ряда приборов

микроэлектроники (вакуумные диоды, триоды, ЭЛТ, ионные источники, FED дисплеи и т.д.)- Основные преимущества вакуумных автоэлектронных приборов перед полупроводниковыми приборами и приборами, основанными на термоэмиссии, обусловлены физической природой автоэлектронной эмиссии: малая инерционность, высокая стойкость к воздействию температуры и радиации, низкие напряжения, малый разброс энергий электронов. Также для автоэлектронных микроприборов характерно сверхвысокое быстродействие вследствие переноса электронов от катода к аноду за очень короткое время (менее одной пикосекунды).

Классическими автоэмиссионными материалами являются элементы вольфрам (W), углерод (С), и некоторые соединения (например, LaB6 и А1203). Особое внимание из этих материалов в последнее время уделяется углероду в связи с его особыми структурами - углеродными нанотрубками.

В качестве материала основы (подложки), как привило, используют кремниевые и стеклянные пластины - для планарных катодов большой площади, либо конструкционные материалы (металлы) для катодов электровакуумных приборов. Однако общим является то, что поверхность основы - гладкая, а автоэмиссионный рельеф формируется литографическими методами.

Исследованиями формирования упорядоченных самоорганизующихся структур и приборов на их основе занимались Самойлович М.И., Белянин А.Ф., Булыгина Е.В. (формирование, исследование свойств и создание приборов на основе синтетических опаловых матриц), Татаренко Н.И., Кравченко В.Ф. (формирование и применение упорядоченных структур в технологии автоэмиссионной микроэлектроники), Суэтин Н.В., Пащенко П.В., Ильичев Э.А., Петрухин Г.Н. (формирование углеродных наноструктур для автокатодов, в т.ч. на структурированных поверхностях), Шешин Е.П. (автоэмиссионные свойства углеродных материалов), Татаринова Н.В.

(вакуумная электроизоляция и природа автоэлектронной эмиссии) и другие ученые.

На сегодняшний день в области создания приборов микро и наноэлектроники на регулярных самоупорядоченных структурах остаются открытыми вопросы управления структурой поверхности рельефообразующего слоя, поскольку именно в этом состоит основное отличие технологий формирования изделий в целом: в классической технологии рельеф формируется литографическими методами на плоской подложке, тогда как при использовании принципа самоупорядоченности необходимо модифицировать рельефообразующий слой.

Таким образом, возникла необходимость разработки технологии управления рельефом поверхности регулярных структур, проверки классической теории формирования тонкопленочных покрытий различными методами на таких структурах, а также разработки специального лабораторного вакуумного оборудования для реализации этих задач.

Цель работы

Создание методики формирования и управления формой рельефа поверхности самоупорядоченных глобулярных структур для их использования в устройствах микро и наноэлектроники.

Для достижения этой цели в работе решались следующие основные задачи:

1. На основании анализа исследований в области создания устройств микроэлектроники на основе синтетических опаловых матриц определить наиболее эффективные методы их модификации.

2. Разработать математические модели изменения рельефа поверхности синтетических опаловых матриц методами нанесения тонких пленок в вакууме и ионного травления.

3. Создать лабораторное оборудование, позволяющее проводить исследование влияния на процесс модификации синтетических опаловых матриц различных методов нанесения тонких пленок и ионного травления.

4. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать методику практической реализации выбранных методов модификации рельефа поверхности синтетических опаловых матриц.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые построены математические модели модификации рельефа поверхности самоупорядоченных глобулярных наноструктур - синтетических опаловых матриц, при формировании на их поверхностях тонкопленочных покрытий и при их ионном травлении.

2. Теоретически и экспериментально подтверждено, что для эффективного управления рельефом синтетических опаловых матриц требуется комбинация методов вакуумного осаждения и ионно-лучевого травления тонкопленочных покрытий.

3. Впервые для метода магнетронного распыления и ионно-лучевого травления пленки Л на синтетической опаловой матрице экспериментально получены геометрические характеристики рельефа поверхности в зависимости от толщины осажденного тонкопленочного покрытия и глубины его травления.

Практическая ценность работы заключается в том, что

1. В результате анализа существующих методов нанесения тонкопленочных покрытий и вакуумно-плазменного травления разработана лабораторная установка для проведения исследований по управлению рельефом самоупорядоченных глобулярных микроструктур, объединяющая методы магнетронного распыления и ионно-лучевого травления в едином технологическом цикле.

2. Выявлены наиболее эффективные технологические режимы магнетронного распыления и ионно-лучевого травления, позволяющие

управлять процессом модификации рельефа поверхности самоупорядоченных глобулярных микроструктур - синтетических опаловых матриц.

В работе использованы теория планирования эксперимента и математической статистики, теоретические модели расчета автоэмиссионных характеристик покрытий.

Практическая и экспериментальная части работы выполнялись в лабораториях МГТУ им. Н. Э. Баумана, НИИФП, МИЭТ и НИИЯФ МГУ.

Достоверность результатов диссертационных исследований обеспечивается использованием современного аналитического и измерительного оборудование, анализом и учетом возможных источников погрешностей и статистической обработкой результатов измерений.

Результаты выполненной работы по модификации формы рельефа поверхности синтетических опаловых матриц целесообразно использовать при проектировании перспективной элементной базы функциональных изделий автоэмиссионной электроники, оптоэлектроники, волоконной и интегральной оптики, микро и наноэлектронике, а предложенная компоновка лабораторной вакуумной установки и технологические варианты модификации синтетических опаловых матриц рекомендуется использовать при проектировании исследовательского и промышленного оборудования в ОАО «НИИ точного машиностроения», ФГУП «НИИ физических проблем им. Ф.В. Лукина», ФГУП «НПП «Торий» и в других предприятиях по изготовлению изделий электронной техники и вакуумного технологического оборудования для их производства.

Диссертационная работа представляет собой обобщение результатов разработок и исследований, полученных автором лично, а также с сотрудниками МГТУ им. Н.Э. Баумана - Булыгиной Е.В., Бесединой К.Н., Яновичем C.B., НИИФП - Петрухиным Г.Н., НИИЯФ МГУ - Пащенко П.В.

Научный руководитель Панфилов Ю. В. принимал участие в постановке задач, обсуждении полученных результатов и редактировании статей.

Автором лично проведен аналитический обзор современного состояния самоупорядоченных регулярных микроструктур с целью их применения в изделиях электронной техники. Определены требования к рельефу поверхности синтетических опаловых матриц для их использования в автоэмиссионных катодах. На основании данных требований предложена методика модификации рельефа поверхности синтетической опаловой матрицы вакуумными методами осаждения тонкопленочных покрытий и ионного травления. Разработан и реализован структурно-компоновочный вариант лабораторной установки для реализации процесса модификации по предложенной методике, сочетающий методы ионного распыления, ионно-лучевого травления и дугового испарения в едином технологическом цикле, модернизированы технологические источники, реализующие данные методы и отработаны их режимы работы. Проведены эксперименты по модификации рельефа поверхности синтетической опаловой матрицы на лабораторной установке и обработаны результаты исследований на СЗМ. Сформулированы выводы по работе.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на VIII и XI Молодежной научно-технической конференции учащихся, студентов, аспирантов и молодых ученых «Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы» (Москва, 2006 и 2009), на 1 -й и 2-й Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2008-2009), на 1-й и 2-й Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия» (Москва-Калуга, 2008-2009), на Международной конференции «Вопросы инженерной нанотехнологии» (Москва, 2008), на XI, XII, XIII, XIV Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России» (Москва, 2005-2008), на XVII и XXII Международном симпозиуме «Тонкие пленки в электронике» (Москва, 2005, 2009), на IV международной научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и технология» (Москва, 2009), на XVI, XVIII научно-

технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (Ялта, 2008, Сочи, 2010).

По теме диссертации опубликованы 2 статьи в рецензируемых научных журналах и 9 докладов на всероссийских и международных научно-технических конференциях.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 87 наименований. Работа содержит 139 страниц машинописного текста, в том числе 13 таблиц и 89 рисунков.

В первой главе представлены результаты анализа текущего состояния, тенденций развития и перспектив использования регулярных самоупорядоченных структур в изделиях микро и наноэлектроники. Показано, что автоэмиссионные катоды являются наиболее ярким применением, в котором реализуются все преимущества таких самоупорядоченных структур, в частности, синтетических опаловых матриц.

Во второй главе представлены физические аспекты автоэмиссии материалов на поверхности опаловой матрицы. Проведен анализ методов осаждения тонкопленочных покрытий и ионного травления для модификации поверхности глобулярных самоупорядоченных структур. В среде МаЙтсаё реализована методика модификации рельефа поверхности синтетических опаловых матриц, позволяющая выдавать результат в графическом виде.

Третья глава посвящена разработке лабораторного оборудования для модификации рельефа поверхности синтетических опаловых матриц. Разработаны технологические и конструкционные варианты, реализованные на модернизированном и специально созданном многопозиционном лабораторном оборудовании для нанесения тонких пленок в вакууме.

В четвертой главе представлены результаты исследований формы рельефа поверхности синтетических опаловых матриц после их модификации н�