автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Особенности кинетической ионно-электронной эмиссии с поверхности металлических и полупроводниковых пленочных материалов в процессе ионно-лучевого травления

На правах рукописи

Сергиенко Андрей Алексеевич

Особенности кинетической иоино-электронной эмиссии с поверхности металлических и полупроводниковых пленочных материалов в процессе ионно-лучевого

травления

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, 2006 г.

Работа выполнена на кафедре технологии материалов электроники Московского государственного института стали и сплавов (технологического университета).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

член-корреспондент РАЕН Кузнецов Геннадий Дмитриевич

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук Симакин Сергей Борисович

доктор технических наук, профессор Гармаш Владимир Михайлович кандидат технических наук Митрофанов Евгений Аркадьевич

Ведущая организация: ОАО "Научно-производственное пред-

приятие ЭлТом", г. Томилино

Защита диссертации состоится 21 декабря 2006 г. в 15 часов 30 мин на заседании диссертационного совета Д212.132.06 при Московском государственном институте стали и сплавов по адресу: 119049, Москва, Крымский вал, д.З, ауд. К-421.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института стали и сплавов.

Автореферат разослан « _»__2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Доктор физико-математических наук, профессор

Гераськин В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Развитие микроэлектроники, а в последние годы и наноэлектроники привело к необходимости использования ускоренных ионных потоков для обработки поверхности (очистки, травления, нанесения слоев) при создании элементов интегральных схем. При воздействии ускоренных частиц на поверхность твердого тела возникает множество эффектов. Одним из таких эффектов является вторичная электронная эмиссия.

Технология ионно-лучевого травления (ИЛТ), инициирующего выход вторичных электронов при ионной бомбардировке поверхности, широко применяется в микро- и наноэлектронике, в связи с необходимостью реализации высоких потенциальных возможностей, заложенных в ионной и электронной литографии, с возрастанием требований по степени интеграции и точности исполнения топологического рисунка микросхем. Традиционные методы химического жидкостного травления вытесняются ионно-лучевыми методами травления и очистки поверхности материалов в технологии производства интегральных схем, основой которых являются многоуровневые тонкопленочные коммутации и гетерокомпозиции, выполненные с применением новых материалов подложек и пленок. Относительно низкая воспроизводимость параметров изделий, характерная для серийного производства связана с недостаточной точностью формирования топологии элементов микросхем, обусловленной колебаниями параметров режима обработки, отсутствием непрерывного контроля всех стадий процесса травления (очистка поверхности, травление, переход травления от одного слоя к другому, окончание процесса травления). Такая ситуация наблюдается во многих отраслях электроники, например, таких как оптоэлек-троника, акустоэлектроника, СВЧ-техника и других.

Решение отмеченных проблем связано с разработкой и освоением адаптивных технологических процессов травления пленочных покрытий для формирования топологии схем, либо очистки поверхности.

Актуальной является разработка безинерционного метода контроля параметров

процесса и состояния обрабатываемой поверхности, несущего прямую информацию и позволяющего:

1. Осуществлять контроль процесса травления любых материалов и многослойных гетероструктур непосредственно в процессе ионно-лучевой обработки.

2. Контролировать все стадии процесса ионно-лучевого травления.

Цель диссертационной работы

Цель настоящей работы заключалась в расширении возможности использования вторичной электронной эмиссии для контроля процесса ионно-лучевого травления тонкопленочных материалов электронной техники на основе уточнения физико-технологических особенностей механизма ионно-электронной эмиссии; разработке простого и надежного метода определения состояния поверхности металлических и полупроводниковых слоев при ионно-лучевом травлении, основанного на использовании интегрального сигнала вторичных электронов; выявлении основных закономерностей выхода вторичных электронов от условий проведения процесса травления.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- определение принципов построения и разработка элементов оборудования для регистрации ионно-электронной эмиссии (ИЭЭ) на базе существующего промышленного технологического оборудования;

- установление закономерностей выхода вторичных электронов в вакуум в зависимости от материала мишени (Cu, Al, V, Та, Ni, Мо, Ti, А и. Si, Ge, GaAs, а-Si:(N,Il), a-Si:H, полиимид, ситалл), сорта и энергии бомбардирующих ионов (Аг+, Не+), температуры мишени и плотности ионного потока;

- разработка уточненной математической модели выхода вторичных электронов при низкоэнергетической бомбардировке обрабатываемой поверхности, согласующейся с экспериментальными результатами, и проведение расчета коэффициента кинетической ионно-электронной эмиссии;

- установление практической возможности использования вторичной электронной эмиссии для контроля процесса ионно-лучевого травления тонкопленочных ма-

териалов электронной техники и гетерокомпозиций на их основе.

Научная новизна работы

1. Установлены закономерности изменения интегрального сигнала вторичных электронов при ионно-лучевом травлении материалов (Си, А1, V, Та, №, Мо, Т^ Аи, 81, Ое, ваАя, а-Зк(1Ч,Н), а-БкН, полиимид, ситалл) в зависимости от их исходного состояния, температуры поверхности мишени, электропроводимости, ширины запрещенной зоны полупроводников, энергии ионов и плотности ионного потока на мишень.

2. Разработана уточненная модель выхода вторичных электронов при низкоэнергетическом (до 10 кэВ) ионном воздействии на поверхность мишени, учитывающая возникновение ионно-индуцированного тока в приповерхностной области полупроводника и плотность потока первичных ионов (до 3 мА/см2), позволяющая объяснить экспериментальные результаты.

3. Разработана методика расчета коэффициента кинетической ионно-электронной эмиссии с учетом функции распределения электронов в твердом теле по энергии в возбужденном состоянии при облучении ионами, позволяющая оценивать и предсказывать величину тока вторичных электронов в процессе ионно-лучевого травления металлов и полупроводников. Модель базируется на определенном участии всех электронов твердого тела в процессе ионно-электронной эмиссии и независимости коэффициента кинетической ионно-электронной эмиссии от плотности потока ионов на мишень.

4. Выявлены закономерности изменения тока вторичных электронов при послойном травлении многослойных структур. Дано объяснение сложному ходу этой зависимости в рамках теоретических соображений, представленных в работе.

Практическая значимость работы:

1. Разработан метод контроля состава поверхности пленочных гетероструктур путем регистрации интегрального сигнала вторичных электронов в процессе их ионно-лучевого травления, позволяющий в едином технологическом процессе без-

инерционно определять все стадии процесса травления: очистка поверхности, травление, переход травления от одного слоя к другому, окончание процесса травления (свидетельство о регистрации НОУ-ХАУ в Депозитарии МИСиС № 7-219-2002 ОИС от 29.11.02).

2. Разработан узел и система регистрации сигнала вторичных электронов, обеспечивающие увеличение его интенсивности в процессе ионно-лучевого травления тонкопленочных гетерокомпозиций.

3. Показана практическая возможность технологического контроля всех стадий процесса ионно-лучевого травления металлов, полупроводников, диэлектриков и тонкогатеночных гетерокомпозиций на их основе на примере создания элементов на поверхностно-акустических волнах и полевых транзисторов. Экспериментально установлено, что вторичный ток электронов при ионно-электронной эмиссии является током, определяющим свойства стравливаемой пленочной структуры, являясь без-инерционным носителем информации о состоянии поверхности. Показано, что определенное значение тока вторичных электронов от конкретного материала слоя определяет возможность идентификации этого материала в процессе ионно-лучевого травления.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Регистрация интегрального сигнала эмиссии вторичных электронов, позволяющая разработать метод, устройство и методику контроля состояния поверхности и всех стадий процесса ионно-лучевого травления металлических, полупроводниковых и диэлектрических пленочных гетерокомпозиций.

2. Уточненная математическая модель эмиссии вторичных электронов при низкоэнергетической (до 10 кэВ) ионной бомбардировке поверхности подложки с учетом ее электронных характеристик и параметров ионного воздействия и методика расчета коэффициента ионно-электронной эмиссии металлов и полупроводников, позволяющие предсказать реальный ток эмиссии в зависимости от материала поверхности мишени, сорта бомбардирующей частицы и энергии налетающего иона.

3. Установленные закономерности изменения интегрального сигнала вторичной

ионно-электронной эмиссии в зависимости от параметров низкоэиергетического (до 10 кэВ) ионного воздействия и материала обрабатываемой поверхности, позволяющие обеспечить неразрушающий контроль всех стадий процесса ионно-лучевого травления тонкопленочных слоистых гетерокомпозиций и создать основу для разработки адаптивно-управляемой технологии на базе интеллектуальных схем.

Апробация работы:

Основные результаты диссертации отражены в 8 публикациях и докладывались на 4-ой международной конференции "Химия твердого тела и современные микро-и нанотехнологии" (Кисловодск, 2004г.), IX Межгосударственном семинаре "Термо-элекгрики и их применение" (Санкт-Петербург, 2004г.), на 3-ей Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе (Кремний-2003, Москва, 2003г.), Российско-Японском семинаре "Перспективные технологии и оборудование для материаловедения, микро- и наноэлектроники" (Астрахань, 2006г.). Имеются 2 свидетельства о регистрации НОУ-ХАУ в Депозитарии МИСиС: №7-219-2002 ОИС от 29.11.2002г. и № 204-219-2006 ОИС от 17.01.2006г.

Результаты работы были опробованы с положительным эффектом при разработке технологии изготовления СВЧ полевых транзисторов на ваАв, а также при разработке тонкопленочных (100... 150 нм) диодных структур на основе твердых растворов карбида кремния.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общего заключения и выводов и списка литературы. Объем диссертации составляет 144 страницы машинописного текста, включая 54 рисунка и 2 таблицы. Список цитируемой литературы состоит из 82 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности темы и сформулированы цели и задачи диссертационной работы, отражены научная новизна и практическая значимость работы, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются возможности исследования поверхности твердого тела при его распылении. Анализируются эффекты вторичной эмиссии мишени при облучении низкоэнергетичными ионами. Рассмотрен механизм ионно-электронной эмиссии. Рассматриваются существующие методы регистрации интегрального сигнала ионно-элсктронной эмиссии. Определены составляющие интегрального сигнала вторичной эмиссии.

При попадании иошгого пучка на поверхность твердого тела, возникает целый ряд вторичных явлений: вторичная ионная эмиссия, распыление, отражение ионов, потенциальная и кинетическая ионно-электронная эмиссия. Одно из важнейших и перспективных применений вторичных явлений при ионной бомбардировке — анализ поверхности твердого тела. Анализ поверхности позволяет получить средство контроля процесса ионной обработки.

Одним из наиболее перспективных направлений развития средств контроля технологических процессов ионно-лучевого травления становится использование вторичной эмиссии электронов, возникающей при бомбардировке обрабатываемой поверхности пучком ускоренных атомных частиц. Явление вторичной эмиссии позволяет в идеальных экспериментальных условиях получать необходимую информацию о составе и структуре приповерхностных слоев исследуемых материалов (элементный состав, расположение атомов в приповерхностном слое, степень упо-рядочешюсти, электронная структура поверхностного слоя). В реальных технологических условиях - осуществлять контроль процесса ионно-лучевого травления тонкопленочных материалов электронной техники.

Использование явления вторичной ионно-электронной эмиссии показывает, что компонента тока вторичных электронов из общего вторичного сигнала является оп-

ределякмцей, показывающая стабильный сигнал от обрабатываемой поверхности, и при создании необходимых условий, возникает возможность контролировать состояние' поверхности.

Эмиссия вторичных электронов из твердого тела является результатом большого числа рассеяний и процессов потерь энергии. Падающие частицы генерируют вторичные электроны в результате ионизации атомов твердого тела.

В последнее время были разработаны и внедрены несколько методов исследования твердого тела при помощи вторичного сигнала ионно-электронной эмиссии. Однако, в этих работах ток вторичных электронов приравнивается к интегральному сигналу вторичной частиц, что оказывается неверным (вклад тяжелых положительных частиц, быстрых отраженных частиц, легких ионов, третичных электронов), и при определении характеристик и зависимостей тока эмиссии с мишени может дать значительную ошибку.

Таким образом, становится актуальной проблема получения более определенного сигнала для точного определения характеристик исследуемого образца, при этом не сильно усложняя конструкцию регистрирующего узла. Также является актуальной проблема по использованию ионно-электронной эмиссии в качестве метода контроля процесса ионно-лучевого травления, ориентированного на решение технологических, а не экспериментальных задач промышленности.

Во второй главе определяются требования, предъявляемые к экспериментальным установкам для использования ионно-электронной эмиссии. Описываются разработанные элементы оборудования для регистрации вторичной ионно-электронной эмиссии с поверхности твердого тела при ионно-лучевом травлении. Определяется метод регистрации тока вторичных электронов с поверхности твердого тела.

Для выполнения поставленных задач по исследованию ионно-электронной эмиссии при ионно-лучевом травлении была создана экспериментальная установка на существующем парке технологического оборудования (рис. 1).

При разработке системы контроля основными задачами были:

1. Выделение сигнала вторичных электронов из общего сигнала вторичных за-

ряженных частиц, возникающих при ионной обработке.

2. Создание упрощенной схемы узла регистрации электронов.

3. Осуществление непрерывной регистрации тока вторичных электронов (ВЭ).

Рис. 1. Модернизированная экспериментальная установка: 1 - Подложка; 2 - Приемник электронов; 3 — Металлический контейнер с диафрагмой; 4 - Ионный источник; 5 - Вакуумная камера; 6 - Блок питания УИП-1; 7 -Блок питания БП-94; 8 - Резистор; 9 - Самопишущий прибор Н-307; 10 - Вольтметр В7-40/4; 11— Форвакуумный насос; 12 - Диффузионный насос.

Определена конструкция регистрирующего узла, позволяющего выделить сигнал вторичных электронов из общего сигнала вторичных частиц, возникающего при ионной обработке. Узел регистрации включает в себя приемник электронов, держатель с образцом и металлический контейнер с диафрагмой. Конструкция его такова, что первичные ионы не попадают на приемник. Регистрируемый ток составляют отрицательно заряженные частицы с энергией 1...5 эВ. Таким образом, захватываются частицы с определенной энергией и зарядом, а регистрируемый ток представляет собой ток непосредственно вторичных электронов без дополнительного вклада других заряженных частиц.

9

В третьей главе описывается уточненная модель выхода вторичных электронов из металлов и полупроводников и приводятся основные результаты моделирования в сравнении с существующими моделями и экспериментальными данными.

В модели рассматриваются физико-математические особенности передачи кинетической энергии ионами электронам при неупругих столкновениях частиц, зонная теория твердого тела, характеристика вероятности выхода свободного электрона с поверхности.

В отличие от многих других, модель имеет статистический характер, что позволяет не учитывать всевозможные угловые распределения электронов, не учитывать множества вторичных эффектов, возникающих при бомбардировке мишени.

В рамках данной модели становится возможным оценить не только коэффициент кинетической ионно-элекгронной эмиссии разных металлов и полупроводников в зависимости от энергии налетающего иона, но и рассчитать ожидаемый ток вторичных электронов с заданной площади поверхности. Данная модель ограничена низкоэнергетической областью (до 10 кэВ) действия ионов на твердое тело и не рассматривает эмиссию от диэлектриков, механизм которой до сих пор до конца не ясен.

Несмотря на некоторые недостатки, предлагаемая теория выполняет задачу моделирования и, в общем случае, удовлетворительно согласуется с экспериментом, а также в простой и наглядной форме отображает расчетные зависимости и не требует длительного времени для их оценки. Модель позволяет проследить наиболее важные параметры и зависимость между ними, характеризующие процесс ионно-индуцированной вторичной электронной эмиссии:

- потенциал межатомного взаимодействия иона и атома;

- энергию ионов;

- зонную структуру твердого тела (потенциальный барьер);

- плотность потока ионов на поверхность;

- площадь окна травления;

- геометрию расположения приемника электронов.

Коэффициент ионно-электронной эмиссии у (КИЭЭ) определяется по формуле:

где 1вэ - ток вторичных электронов;

1И0Н - ток первичных ионов.

Ток вторичных электронов, регистрируемый приемником электронов, определяется из следующего выражения:

где - коэффициент соответствия (отношение плотности потока ионов на поверхность к плотности упаковки атомов на поверхности);

п (Т, Еион) — концентрация электронов;

Р (Еион) - вероятность выхода электрона в вакуум;

Б - площадь травления;

е - заряд электрона;

ц - коэффициент, учитывающий пороговый угол захвата электрона;

Т - температура твердого тела (мишени).

На рис. 2 представлены зависимости у (КИЭЭ) от атомного номера мишени для различных теоретических расчетов и экспериментальных данных.

Результаты показывают, что зависимость, построенная на основании экспериментальных данных, имеет четко выраженный характер увеличения КИЭЭ с уменьшением атомного номера мишени. Теория Парилиса-Кишиневского не согласуется с экспериментальными данными для анализируемых материалов. Теория с учетом атомов отдачи дает правильный ход зависимости, но при малых атомных номерах мишени не совсем точна.

Предложенная нами модель удовлетворительно согласуется с экспериментом.

Ф представленная теория 0 теория Парилиса-Кидшневского А Экспериментальные данные В теория с учетом атомов отдачи

Рис. 2. Зависимость у (КИЭЭ) от атомного номера мишени г2.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований кинетической ионно-электронной эмиссии с использованием регистрации тока вторичных электронов от обрабатываемой поверхности при различных параметрах ионного травления.

Установлено, что регистрация тока ВЭ позволяет определять стадии ИЛТ. Основным критерием правильности разработанной методики и системы регистрации является возможность определения момента окончания травления одного слоя и переход к другому.

В качестве тестовых образцов были взяты структуры: медь-полиимид, алюми-ннй-ситалл. Толщина пленок находилась в пределах 100... 150 нм.

Изменение сигнала ИЭЭ во времени при травлении структуры медь-полиимид пучком ионов аргона показано на рис. 3. На полученной зависимости можно выделить 3 зоны. Начальная зона 1 относится к процессу очистки поверхности меди от загрязнений. После изготовления образец находился на воздухе в течение 30 мин;

зона II отражает процесс травления пленки меди; зона III — травление полиимида.

Площадь окна травления составляла 0,5...0,6 см2, плотность ионного потока 0,9... 1,0 мА/смг.

вреде

Рис. 3. Изменение интегрального сигнала ионно-электронной эмиссии от времени травления гетероструктуры: медь-полиимид.

I - этап очистки поверхности от загрязнений и окислов; II - этап травления пленки меди 150 нм; III - этап травления полиимида.

Проведен анализ экспериментальных результатов, полученных в работе. Сделан вывод о том, что разработанные метод и методика контроля поверхности при ИЛТ, в полной мере могут служить способом технологической и экспериментальной диагностики состояния поверхности при ионном травлении структур путем регистрации изменения тока вторичных электронов во времени травления.

Дано объяснение общему виду зависимости тока вторичных электронов от времени травления и предложен механизм возникновения и изменения этого тока. Зависимость тока вторичных электронов от времени травления структуры имеет довольно сложный вид, определяемый, в первую очередь, свойствами материалов обрабатываемой поверхности, а также электропроводимостью всей структуры.

Приведены результаты экспериментальных исследований пленочных структур из металлов, полупроводников и диэлектриков, позволяющие утверждать, что для получения достоверных данных по коэффициентам кинетической ионно-

электронной эмиссии этих материалов, необходимо учитывать их электропроводимость. Эксперименты указывают на неоднозначность данных (ток вторичных электронов завышен или занижен) по эмиссии электронов при возникновении потенциала на поверхности травящейся структуры. С целью определения степени влияния электропроводимости структуры на ток вторичных электронов проведены эксперименты по измерению тока вторичных электронов в зависимости от сопротивления цепи: область травления-«земля». В результате измерений обнаружен эффект аномального хода этой зависимости, при котором ток вторичных электронов во времени травления возрастает более, чем в два раза. Эксперименты по зависимости эмиссионного тока вторичных электронов от электропроводимости подложки показывают влияние электронов проводимости материалов на величину этой эмиссии. Неупругое взаимодействие ионов с атомами мишени определяет выделившуюся энергию, затраченную на разогрев и выход части электронов в вакуум. При этом, например в металлах, число освободившихся таким образом электронов, по порядку величины не превышает количества электронов проводимости. Таким образом, вероятность испускания и рекомбинации электронов имеют высокие и близкие между собой значения. В результате у большинства металлов ток вторичных электронов оказывается не больше, чем от других материалов. Более того, эти значения тока для различных металлов сравнимы между собой из-за практически одинаковых значений объемной концентрации электронов, потенциального барьера и выделяющейся энергии на активацию процесса выхода электронов.

Полупроводники отличаются от металлов наличием запрещенной энергетической зоны в структуре твердого тела, а также значительно меньшим, по сравнению с металлами, количеством электронов проводимости. В этом случае снижается вероятность рекомбинации и увеличивается потенциальный барьер на ширину запрещенной зоны, но при этом уменьшаются потери энергии на электрон-электронное взаимодействие. В результате взаимосвязи этих факторов, конечный выход вторичных электронов сравним (одного порядка) с металлами.

Приведены данные по коэффициенту ионно-электронной эмиссии для ряда металлов в зависимости от энергии ионов и плотности их потока на обрабатываемую

поверхность.

Приведены зависимости коэффициента кинетической ионно-элекгронной эмиссии от порядкового номера элемента в периодической системе.

Проведенные эксперименты по влиянию плотности потока ионов на величину тока вторичных электронов показали, что эта зависимость прямо пропорциональна. Это важное наблюдение позволяет утверждать, что механизм появления и выхода вторичных электронов не изменяется при различных плотностях ионного тока. Расчеты, основанные на эксперименте, показывают, что в результате ионной бомбардировки количество образованных вторичных электронов в твердом теле лежит в пределах 0,5...2 электрона на атом при энергии ионов 1,5 кэВ. Каждый приходящий ион теряет на атоме твердого тела одинаковое количество энергии, и ток вторичных электронов возрастает пропорционально увеличению плотности ионного тока.

Таким образом, описанные экспериментальные результаты позволяют более полно попять физику ионно-электронной эмиссии, учесть основные токи, сопровождающие процесс травления, определить, почему и как изменяется ток вторичных электронов при травлении многослойных структур и прогнозировать этот ток для исследовательских работ и технологических целей микро- и наноэлектронного производства.

Пятая глава содержит результаты исследований ионно-электронной эмиссии в процессе ионно-лучевого травления тонкопленочных слоистых гетерокомпозиций на основе металлов, полупроводников и диэлектриков.

Показана практическая возможность регистрации тока вторичных электронов при бомбардировке поверхности подложки ионами с энергией до 2 кэВ и плотностью ионного потока до 3 мА/см2. Уровень сигнала эмитированных электронов позволяет регистрировать все стадии процесса ионно-лучевого травления многослойных материалов: от очистки поверхности до момента окончания травления, включая переход травления от одного слоя к другому. Показано, что анализ уровня сигнала эмитированных электронов от различных пленочных материалов возможно проводить с использованием представлений об изменяющихся значениях коэффициента

ионно-электронной эмиссии у различных материалов.

На рис. 4 приведены зависимости сигнала ИЭЭ от времени травления полупроводниковых материалов с контролем толщины удаленного слоя. Можно отметить две особенности.

1. Величина эмиссионного тока различна у различных полупроводниковых материалов (в данном случае для кремния) в зависимости от концентрации легирующей примеси.

2. Повышенное значение тока в начале процесса ионного травления. Это обусловлено наличием естественного оксидного слоя на поверхности полупроводника толщиной 5... 10 нм.

Толщина удаленного слоя, ни 60_120

2 4

Время травления, мин

Рис. 4. Зависимость тока ионно-электронной эмиссии с поверхности полупроводника от времени травления для монокристаллических подложек 1 - КЭФ-0,3; 2 - КЭФ-1; 3 - КЭФ-7,5

На рис. 5 представлены результаты экспериментов по исследованию изменения тока электронной эмиссии при ионно-лучевом травлении гетероструктур на основе пленок меди, тантала, алюминия, диоксида кремния, нанесенных на подложки из монокристаллического кремния и германия.

Анализ результатов позволяет заключить, что по скачку тока электронов можно достаточно точно фиксировать период окончания ионного травления нанесенного слоя. Время перехода от травления нанесенного слоя к травлению подложки составляет 2...3 мин.

Толщин* удаленного слоя, нм

Рис. 5. Зависимости тока ионно-электронной эмиссии от времени травления для различных однослойных гетерокомпозиций: 1 - Та/ГЭС-0,5; 2 - Си/КЭФ-0,3; 3 - А1/КЭФ-7.5; 4 - 8Ю2/КЭФ-7,5

На рис. 6 представлено изменение тока электронов при травлении образцов с двухслойной структурой на диэлектрической подножке. Результаты экспериментов подтверждают заключение о возможности регистрации перехода процесса травления от одного слоя к другому.

Толщина удаленного слоя, нм

Время травления, мин

Рис, 6. Зависимости тока ионно-электронной эмиссии от времени травления для различных двухслойных гетерокомпозиций на диэлектрической подложке.

Установлена возможность регистрации изменения состава пленочных структур по эмиссионному току электронов. Приведены результаты экспериментов по иопно-лучевому травлению слоистых гетерокомпозиций на основе а-ЯкН - а-Эк(Н,М) - а-БкН - Я ¡-подложка (КЭФ-0,3) (рис. 7). Толщина слоя а-БкН составляла 500 нм, а-

8к(Н, К) - 1000 нм. Содержание азота в слое а-8к(Н, И) - б % (ат.).

Толашнв удаленною слоя, ни

о вш 1300 ют

о го ад во

Врвыя тряялиния, ним

Рис. 7. Зависимость тока ионио-электронной эмиссии с поверхности полупроводника от времени травления трехслойной гетерострукгуры на основе аморфного гидрогенизированного кремния

Результаты исследований свидетельствуют о возможности регистрации изменения сигнала эмитированных электронов при наличии в слое азота по сравнению с сигналом от слоя без азота.

Приведены результаты опробования метода при получении реальной топологии элементов и линий задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) на основе ниобата лития (1л№Ю3) с применением ИЛТ из-под маски фоторезиста. Площадь «окон» составляла 50 % от общей площади схемы в 4 см2. На рис. 8 изображена зависимость тока эмитированных электронов от времени травления, отражающая все стадии процесса: от очистки поверхности до травления материала подложки. Наличие фоторезистивной маски не оказывает заметного влияния на эффективность контроля.

0 20 М 60

время травявямя, мяя

Рис. 8. Зависимость тока эмиссии от времени травления НАВ-элемента

Приведены результаты опробования метода при ИЛТ структуры СВЧ полевого транзистора на основе ОаАв. ИЛТ используется для удаления пленки золота, полученной термическим испарением и нанесенной для создания золотых контактов стока, истока и затвора. На этом этапе изготовления^ необходимо полностью удалить золотую пленку и прекратить процесс в начале травления подслоя 1л. Вскрываемая площадь составила 33 % от общей площади. В процессе проведения травления возможно четко определить момент, когда слой золота будет полностью удален. Применение разработанного метода позволит исключить операцию жидкостного травления остатков золота, а значит, подтравливание гальванически выращенных золотых контактов, что повысит надежность и улучшит характеристики полевых транзисторов.

Приводятся данные о возможности контроля процесса размерного ионно-лучевого травления наноразмерных слоев (100... 150 нм) при создании тонкопленочных диодных структур на основе твердых растворов карбида кремния.

Установлено, что регистрация сигнала электронной эмиссии позволяет:

- строго фиксировать момент окончания травления наноразмерных слоев и переход к травлению подложки;

- определять изменение состава пленок в пределах ^С)0,л-о,8(А1М)о,4 0 2.

Основные результаты и выводы:

1. Разработан метод контроля процесса ионно-лучевого травления пленочных гетероструктур на основе металлов (Си, А1, V, Та, №, Мо, Л, Аи) и полупроводников Ое, ОаАБ, а-51:(Ъ1, Н), а-БШ) путем регистрации интегрального сигнала вторичных электронов на уровне от единиц до десятков микроампер, позволяющий в едином технологическом цикле безинерционно определять все стадии процесса травления (очистка поверхности, травление естественного оксидного слоя, травление нанесенной пленки, переход от травления нанесенного слоя к травлению подложки).

2. Разработана конструкция коллектора для захвата эмитированных вторичных электронов, система регистрации интегрального сигнала и узел размещения в под-колпачном устройстве стандартного вакуумного технологического оборудования. Разработанное оборудование позволяет избавиться от паразитной составляющей тока вторичных заряженных частиц и обеспечивает увеличение интенсивности сигнала.

3. Установлены основные закономерности изменения интегрального сигнала вторичных электронов при ионно-лучевом травлении тонкопленочных материалов в зависимости от их исходного состояния, состава, температуры, электропроводимости, ширины запрещенной зоны полупроводников, энергии и плотности ионного потока. Показано, что величина сигнала может изменяться более, чем в 3 раза (от б мкА до 20 мкА) при увеличении, например, энергии ионов в 2 раза (от 1 кэВ до 2юВ).

4. Экспериментально показано, что с помощью регистрации интегрального сигнала вторичных электронов при ионно-лучевом травлении можно контролировать химический состав приповерхностного слоя. Так, изменение концентрации фосфора в монокристаллическом кремнии с 1-Ю16 см"3 до 3-1017 см"3 приводит к возрастанию тока эмиссии электронов до 10 %, а изменение содержания азота в слое аморфного гидрогенизированного кремния на уровне 6 % (ат) - до 30 %.

Аналогичные результаты получены и при ионно-лучевом травлении многослойных структур на основе твердых растворов РЬЭпТе.

5. Разработана уточненная статистическая модель выхода вторичных электронов из твердого тела при низкоэнергетической (до 10 кэВ) ионной бомбардировке, учитывающая зонную теорию обрабатываемого материала, "характеристики вероятности выхода свободного электрона в вакуум, плотность потока ионов на поверхность. В рамках разработанной модели становится возможным проводить расчеты параметров вторичной электронной эмиссии с поверхности металлов и полупроводников и прогнозировать с погрешностью до 10 % реальный ток эмиссии.

6. Теоретически рассчитаны и экспериментально определены коэффициенты кинетической ионно-электронной эмиссии при ионном облучении металлов и полупроводников, удовлетворительно согласующиеся друг с другом. Показано, что существует прямо пропорциональная зависимость увеличения тока эмиссии при возрастании плотности потока ионов на поверхность. Установлено, что при обработке полупроводников вторичная ионно-электронная эмиссия зависит как от тока вторичных электронов, так и тока электронов проводимости в поверхностном слое твердого тела.

7. Установлено, что ионно-лучевое травление с эмиссионным контролем одно-, двух- и трехслойных гетерокомпозиций из металлов (Си, А1, V, Та, N1, Мо, Т], Аи), полупроводников (81, ве, ваЛв, а-Б^И, Н), а-5кН) на диэлектрической подложке с толщиной слоев от 100 нм до 600 нм позволяет по скачку интегрального сигнала эмиссии электронов достаточно точно фиксировать переход окончания травления одного слоя и переход к травлению другого. Время перехода для различных слоистых гетерокомпозиций составляет 2... 10 мин при толщине удаляемого слоя 20...300 нм и зависит от различной скорости травления материалов и локальной неоднородности химического состава по поверхности. Показано, что в начальный период ионно-лучевого травления в течение 0,5...2,0 мин или толщине удаляемого слоя 5... 10 нм наблюдается повышенный сигнал эмитированных электронов, что связано с удалением как адсорбционного слоя примесей, так и оксидной пленки на исходной поверхности обрабатываемой подложки.

8. Результаты исследований были положительно опробованы при создании топологии ПАВ-элементов на основе ЫЫЪОэ с размерами 10...20 мкм2 с общей пло-

щадью «окон» и полос в фоторезистивной маске на уровне 50 % при обшей вскрываемой площади 50...60 %. Показана возможность регистрации момента окончания ионного травления как каждого слоя, так и всей тонкопленочной структуры.

9. Результаты исследований были положительно опробованы при создании контактов СВЧ полевого транзистора на основе ОаАв. Вскрываемая площадь составляла 33 % от общей площади травления. Показана возможность регистрации момента окончания травления слоя золота и полного его удаления, полученного термическим испарением. Применение этого метода контроля ИЛТ в технологии производства СВЧ полевых транзисторов на основе СаАв позволит исключить операцию жидкостного травления остатков золота и, таким образом, подтравливание гальванически выращенных золотых контактов, что повысит надежность и улучшит характеристики СВЧ полевых транзисторов.

10. При разработке технологии создания тонкопленочных диодных структур на основе твердых растворов карбида кремния была опробована возможность контроля процесса размерного ионно-лучевого травления наноразмерных слоев (100... 150 нм) с одновременной регистрацией интегрального сигнала электронной эмиссии.

Регистрация сигнала электронной эмиссии позволяет:

- строго фиксировать момент окончания травления наноразмерных слоев и переход к травлению подложки по изменению величины сигнала на 30.. .40 %;

- определять изменение состава пленок в пределах (51С)о,б-о.а(А1М)о,4-0,2 в процессе их ионно-лучевого травления.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Кузнецов Г.Д., Кислов Н.М., Сергиенко A.A. Моделирование кинетической ионно-электронной эмиссии с поверхности полупроводников и металлов. // Труды 3-ей Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе (кремний - 2003г.). Москва. 2003г.

2. Кислов Н.М., Кузнецов Г.Д., Сергиенко A.A. Уточненная кинетическая ион-но-электронная эмиссия с поверхности полупроводников. // Труды IV международной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии». Кисловодск. 2004г.

3. Кислов Н.М., Кузнецов Г.Д., Сергиенко A.A., Симакин С.Б. Модель выхода вторичных электронов при ионно-лучевом травлении материалов электронной техники. // Известия вузов. Материалы электронной техники. 2004. № 4.

4. Кузнецов Г.Д., Симакин С.Б., Сергиенко A.A., Полистанский Ю.Г. Использование ионно-электронной эмиссии для контроля процесса травления многослойных термоэлементов. // Матералы IX Межгосударственного семинара «Термоэлектрики и их применение». Сапкг-Петербург. 2004г.

5. Сергиенко A.A., Симакин С.Б., Кузнецов Г.Д., Биллалов Б.А., Тешев P.III. Использование ионно-электронной эмиссии для контроля процесса ионно-лучевого травления слоистых гетерокомпозиций. // Материалы российско-японского семинара «Перспективные технологии для материаловедения, микро- и наноэлектроники». Астрахань. 2006г.

6. Симакин С.Б., Кузнецов Г.Д., А.Р. Кушхов, Сергиенко A.A. Совершенствование системы напуска газа и стабилизация давления в процессе ионно-лучевого распыления. // Материалы российско-японского семинара «Перспективные технологии для материаловедения, микро- и наноэлектроники». Астрахань. 2006г.

7. Кузнецов Г.Д., Журавлев A.B., Кислов Н.М., Сергиенко A.A. Способ и устройство неразрушающего контроля состава поверхности тонких пленок в про цессе ионно-лучевого травления многослойных гетерокомпозиций с использованием ионно-электронной эмиссии. // Свидетельство о регистрации НОУ-ХАУ в Депо-

зитарии ноу-хау Отдела защиты интеллектуальной собственности № 7-219-2002 ОИС от 29.11.2002г.

8. Кузнецов Г.Д., Симакин С.Б., Сергиенко A.A. Способ поддержания и управления стабильностью давления в вакуумной технологической камере в процессе ионно-плазменной обработки материалов электронной техники. // Свидетельство о регистрации НОУ-ХАУ в Депозитарии ноу-хау Отдела защиты интеллектуальной собственности № 204-219-2006 ОИС от 17.01.2006г.

ВВЕДЕНИЕ

1. ВОЗМОЖНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА ПРИ ЕГО РАСПЫЛЕНИИ

1.1. Ионно-электронная эмиссия

1.2. Методы регистрации сигнала ионно-электронной эмиссии

1.2.1. Метод наведенного тока

1.2.2. Метод объемного коллектора

1.3. Составляющие сигнала вторичной ионной эмиссии

Развитие микроэлектроники, а в последние годы и наноэлек-троники привело к необходимости использования ускоренных ионных потоков для обработки поверхности (очистки, травления, нанесения слоев) при создании элементов интегральных схем. При воздействии ускоренных частиц на поверхность твердого тела возникает множество эффектов [1, 2]. Одним из таких эффектов является вторичная электронная эмиссия [3].

Технология ионно-лучевого травления, инициирующего выход вторичных электронов при ионной бомбардировке поверхности, нашла широкое применение в микро- и наноэлектронике в связи с необходимостью реализации высоких потенциальных возможностей, заложенных в ионной и электронной литографии, с возрастанием требований по степени интеграции и точности исполнения топологического рисунка микросхем [4-7]. Традиционные методы химического жидкостного травления вытесняются ионно-лучевыми методами травления и очистки поверхности материалов в технологии производства интегральных схем [8-12], основой которых являются многоуровневые тонкопленочные коммутации и гетерокомпозиции, выполненные с применением новых материалов подложек и пленок. Относительно низкая воспроизводимость параметров изделий, характерная для серийного производства связана с недостаточной точностью формирования топологии элементов микросхем, обусловленной колебаниями параметров режима обработки, отсутствием непрерывного контроля всех стадий процесса травления (очистка поверхности, травление, переход травления от одного слоя к другому, окончание процесса травления). Такая ситуация наблюдается во многих отраслях электроники, например, таких как оптоэлектроника, акустоэлектроника, СВЧ-техника и других [13-18].

Решение отмеченных проблем связано с разработкой и освоением адаптивных технологических процессов травления пленочных покрытий для формирования топологии схем, либо очистки поверхности [19-20].

Актуальной является разработка безинерционного метода контроля параметров процесса и состояния обрабатываемой поверхности, несущего прямую информацию и позволяющего:

1. Осуществлять контроль процесса травления любых материалов и многослойных гетероструктур непосредственно в процессе ионно-лучевой обработки.

2. Контролировать все стадии процесса ионно-лучевого травления [21-23].

Для целей контроля вакуумных технологических процессов возможно использование интегрального сигнала вторичной электронной эмиссии, отличающегося простотой регистрации и высокой чувствительностью к составу обрабатываемой поверхности [24-27].

В работах предыдущих лет [28, 29] была показана принципиальная возможность использования сигнала вторичной электронной эмиссии для контроля стадий ионно-индуцированного распыления, но при этом не рассматривалась физика выхода вторичных электронов из материалов, исследовались фактически только металлы, а расчеты процесса можно считать лишь оценочными.

Цель настоящей работы заключалась в расширении возможности использования вторичной электронной эмиссии для контроля процесса ионно-лучевого травления тонкопленочных материалов электронной техники на основе уточнения физико-технологических особенностей механизма ионно-электронной эмиссии; разработке простого и надежного метода определения состояния поверхности металлических и полупроводниковых слоев при ионно-лучевом травлении, основанного на использовании интегрального сигнала вторичных электронов; выявлении основных закономерностей выхода вторичных электронов от условий проведения процесса травления.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- определение принципов построения и разработка элементов оборудования для регистрации ионно-электронной эмиссии (ИЭЭ) на базе существующего промышленного технологического оборудования;

- установление закономерностей выхода вторичных электронов в вакуум в зависимости от материала мишени (Си, Al, V, Та, Ni, Mo, Ti, Аи, Si, Ge, GaAs, a-Si:(N,H), a-Si:H, полиимид, ситалл), сорта и энергии бомбардирующих ионов (Аг+, Не+), их энергии, температуры мишени и плотности ионного потока;

- разработка уточненной математической модели выхода вторичных электронов при низкоэнергетической бомбардировке обрабатываемой поверхности, согласующейся с экспериментальными результатами, и проведение расчета коэффициента кинетической ионно-электронной эмиссии;

- установление практической возможности использования вторичной электронной эмиссии для контроля процесса ионно-лучевого травления тонкопленочных материалов электронной техники и гете-рокомпозиций на их основе.

Научная новизна работы:

1. Установлены закономерности изменения интегрального сигнала вторичных электронов при ионно-лучевом травлении материалов (Си, Al, V, Та, Ni, Mo, Ti, Аи, Si, Ge, GaAs, a-Si:(N,H), a-Si:H, полиимид, ситалл) в зависимости от их исходного состояния, температуры поверхности мишени, электропроводимости, ширины запрещепной зоны полупроводников, энергии ионов и плотности ионного потока на мишень.

2. Разработана уточненная модель выхода вторичных электронов при низкоэнергетическом (до 10 кэВ) ионном воздействии на поверхность мишени, учитывающая возникновение ионно-индуцированного тока в приповерхностной области полупроводника и плотность потока первичных ионов (до 3 мА/см2), позволяющая объяснить экспериментальные результаты.

3. Разработана методика расчета коэффициента кинетической ионно-электронной эмиссии с учетом функции распределения электронов в твердом теле по энергии в возбужденном состоянии при облучении ионами, позволяющая оценивать и предсказывать величину тока вторичных электронов в процессе ионно-лучевого травления металлов и полупроводников. Модель базируется на определенном участии всех электронов твердого тела в процессе ионно-электронной эмиссии и независимости коэффициента кинетической ионно-электронной эмиссии от плотности потока ионов на мишень.

4. Выявлены закономерности изменения тока вторичных электронов при послойном травлении многослойных структур. Дано объяснение сложному ходу этой зависимости в рамках теоретических соображений, представленных в работе.

Практическая значимость работы:

1. Разработан метод контроля состава поверхности пленочных гетероструктур путем регистрации интегрального сигнала вторичных электронов в процессе их ионно-лучевого травления, позволяющий в едином технологическом процессе безинерционно определять все стадии процесса травления: очистка поверхности, травление, переход травления от одного слоя к другому, окончание процесса травления (свидетельство о регистрации НОУ-ХАУ в Депозитарии МИ

СиС № 7-219-2002 ОИС от 29.11.02 [30, 31]).

2. Разработан узел и система регистрации сигнала вторичных электронов, обеспечивающие увеличение его интенсивности в процессе ионно-лучевого травления тонкопленочных гетерокомпозиций.

3. Показана практическая возможность технологического контроля всех стадий процесса ионно-лучевого травления металлов, полупроводников, диэлектриков и тонкопленочных гетерокомпозиций на их основе на примере создания элементов на поверхностно-акустических волнах и полевых транзисторов. Экспериментально установлено, что вторичный ток электронов при ионно-электронной эмиссии является током, определяющим свойства стравливаемой пленочной структуры, являясь безинерционным носителем информации о состоянии поверхности. Показано, что определенное значение тока вторичных электронов от конкретного материала слоя определяет возможность идентификации этого материала в процессе ионно-лучевого травления.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Регистрация интегрального сигнала эмиссии вторичных электронов, позволяющая разработать метод, устройство и методику контроля состояния поверхности и всех стадий процесса ионно-лучевого травления металлических, полупроводниковых и диэлектрических пленочных гетерокомпозиций.

2. Уточненная математическая модель эмиссии вторичных электронов при низкоэнергетической (до 10 кэВ) ионной бомбардировке поверхности подложки с учетом ее электронных характеристик и параметров ионного воздействия и методика расчета коэффициента ионно-электронной эмиссии металлов и полупроводников, позволяющие предсказать реальный ток эмиссии в зависимости от материала поверхности мишени, сорта бомбардирующей частицы и энергии налетающего иона.

3. Установленные закономерности изменения интегрального сигнала вторичной ионно-электронной эмиссии в зависимости от параметров низкоэнергетического (до 10 кэВ) ионного воздействия и материала обрабатываемой поверхности, позволяющие обеспечить неразрушающий контроль всех стадий процесса ионно-лучевого травления тонкопленочных слоистых гетерокомпозиций и создать основу для разработки адаптивно-управляемой технологии на базе интеллектуальных схем.

Апробация работы

Основные результаты диссертации отражены в 8 публикациях и докладывались на 4-ой международной конференции "Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии" (Кисловодск, 2004г.), IX Межгосударственном семинаре "Термоэлектрики и их применение" (Санкт-Петербург, 2004г.), на 3-ей Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе (Кремний-2003, Москва, 2003г.), Российско-Японском семинаре "Перспективные технологии и оборудование для материаловедения, микро- и наноэлектроники" (Астрахань, 2006г.). Имеются 2 свидетельства о регистрации НОУ-ХАУ в Депозитарии МИСиС: №7-219-2002 ОИС от 29.11.2002г. и № 204-219-2006 ОИС от 17.01.2006г.

Результаты работы были опробованы с положительным эффектом при разработке технологии изготовления СВЧ полевых транзисторов на GaAs, а также при разработке тонкопленочных (100. 150 нм) диодных структур на основе твердых растворов карбида кремния.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общего заключения и выводов и списка литературы. Объем диссертации составляет 144 страницы машинописного текста, включая 54 рисунка и 2 таблицы. Список цитируемой литературы состоит из 82 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан метод контроля процесса ионно-лучевого травления пленочных гетероструктур на основе металлов (Си, Al, V, Та, Ni, Mo, Ti, Аи) и полупроводников (Si, Ge, GaAs, a-Si:(N, H), a-Si:H) путем регистрации интегрального сигнала вторичных электронов на уровне от единиц до десятков микроампер, позволяющий в едином технологическом цикле безинерционно определять все стадии процесса травления (очистка поверхности, травление естественного оксидного слоя, травление нанесенной пленки, переход от травления нанесенного слоя к травлению подложки).

2. Разработана конструкция коллектора для захвата эмитированных вторичных электронов, система регистрации интегрального сигнала и узел размещения в подколпачном устройстве стандартного вакуумного технологического оборудования. Разработанное оборудование позволяет избавиться от паразитной составляющей тока вторичных заряженных частиц и обеспечивает увеличение интенсивности сигнала.

3. Установлены основные закономерности изменения интегрального сигнала вторичных электронов при ионно-лучевом травлении тонкопленочных материалов в зависимости от их исходного состояния, состава, температуры, электропроводимости, ширины запрещенной зоны полупроводников, энергии и плотности ионного потока. Показано, что величина сигнала может изменяться более, чем в 3 раза (от 6 мкА до 20 мкА) при увеличении, например, энергии ионов в 2 раза (от 1 кэВ до 2 кэВ).

4. Экспериментально показано, что с помощью регистрации интегрального сигнала вторичных электронов при ионно-лучевом травлении можно контролировать химический состав приповерхностного слоя. Так, изменение концентрации фосфора в монокристаллическом кремнии с МО16 см'3 до 3-1017 см"3 приводит к возрастанию тока эмиссии электронов до 10 %, а изменение содержания азота в слое аморфного гидрогенизированного кремния на уровне 6 % (ат) - до 30 %.

Аналогичные результаты получены и при ионно-лучевом травлении многослойных структур на основе твердых растворов PbSnTe.

5. Разработана уточненная статистическая модель выхода вторичных электронов из твердого тела при низкоэнергетической (до 10 кэВ) ионной бомбардировке, учитывающая зонную теорию обрабатываемого материала, характеристики вероятности выхода свободного электрона в вакуум, плотность потока ионов на поверхность. В рамках разработанной модели становится возможным проводить расчеты параметров вторичной электронной эмиссии с поверхности металлов и полупроводников и прогнозировать с погрешностью до 10 % реальный ток эмиссии.

6. Теоретически рассчитаны и экспериментально определены коэффициенты кинетической ионно-электронной эмиссии при ионном облучении металлов и полупроводников, удовлетворительно согласующиеся друг с другом. Показано, что существует прямо пропорциональная зависимость увеличения тока эмиссии при возрастании плотности потока ионов на поверхность. Установлено, что при обработке полупроводников вторичная ионно-электронная эмиссия зависит как от тока вторичных электронов, так и тока электронов проводимости в поверхностном слое твердого тела.

7. Установлено, что ионно-лучевое травление с эмиссионным контролем одно-, двух- и трехслойных гетерокомпозиций из металлов (Си, Al, V, Та, Ni, Mo, Ti, Аи), полупроводников (Si, Ge, GaAs, a-Si:(N, H), a-Si:H) на диэлектрической подложке с толщиной слоев от 100 нм до 600 нм позволяет по скачку интегрального сигнала эмиссии электронов достаточно точно фиксировать переход окончания травления одного слоя и переход к травлению другого. Время перехода для различных слоистых гетерокомпозиций составляет 2. 10 мин при толщине удаляемого слоя 20.300 нм и зависит от различной скорости травления материалов и локальной неоднородности химического состава по поверхности. Показано, что начальный период ионно-лучевого травления в течение 0,5.2,0 мин или толщине удаляемого слоя 5. 10 нм наблюдается повышенный сигнал эмитированных электронов, что связано с удалением как адсорбционного слоя примесей, так и оксидной пленки на исходной поверхности обрабатываемой подложки.

8. Результаты исследований были положительно опробованы при создании топологии ПАВ-элементов на основе LiNbC>3 с размерами 10.20 мкм с общей площадью «окон» и полос в фоторези-стивной маске на уровне 50 % при обшей вскрываемой площади 50.60 %. Показана возможность регистрации момента окончания ионного травления как каждого слоя, так и всей тонкопленочной структуры.

9. Результаты исследований были положительно опробованы при создании контактов СВЧ полевого транзистора на основе GaAs. Вскрываемая площадь составляла 33 % от общей площади травления. Показана возможность регистрации момента окончания травления слоя золота и полного его удаления, полученного термическим испарением. Применение этого метода контроля ИЛТ в технологии производства СВЧ полевых транзисторов на основе GaAs позволит исключить операцию жидкостного травления остатков золота и, таким образом, подтравливание гальванически выращенных золотых контактов, что повысит надежность и улучшит характеристики СВЧ полевых транзисторов.

10. При разработке технологии создания тонкопленочных диодных структур на основе твердых растворов карбида кремния была опробована возможность контроля процесса размерного ионно-лучевого травления наноразмерных слоев (100. 150 нм) с одновременной регистрацией интегрального сигнала электронной эмиссии. Регистрация сигнала электронной эмиссии позволяет:

- строго фиксировать момент окончания травления наноразмерных слоев и переход к травлению подложки по изменению величины сигнала на 30.40 %;

- определять изменение состава пленок в пределах (SiC)0.6-o.8(A1N)o,4-o.2 в процессе их ионно-лучевого травления.

ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан метод контроля состояния поверхности при ИЛТ металлов, диэлектриков и полупроводников, используя ток вторичных электронов ионно-электронной эмиссии. В рамках этого метода разработано экспериментальное оборудование - конструкция объемного коллектора для захвата эмитированных вторичных электронов, позволяющее проводить эксперименты по регистрации тока вторичной ионно-электронной эмиссии. Регистрационный узел объемного коллектора включает в себя приемник электронов. Прикладывая положительный потенциал к выполненному в виде отдельного элемента конструкции приемнику вторичных электронов и располагая его за исследуемым образцом, становится возможным собирать вторичные электроны нужных энергий электрическим полем, избавляясь тем самым от паразитной составляющей тока вторичных частиц (третичные электроны, вторичные ионы). Для проведения экспериментов разработана методика определения оптимальной величины положительного потенциала, подаваемого на приемник, для всех исследуемых материалов.

Таким образом, разработанное технологическое оборудование позволяет регистрировать во времени сигнал тока вторичных электронов с поверхности твердого тела, интенсивность которого позволяет фиксировать его для разных материалов (металл, диэлектрик, полупроводник) при использовании стандартного технологического оборудования.

Расширены теоретические представления о взаимодействии низкоэнергетического ионного пучка с поверхностью подложки в реальных технологических и экспериментальных условиях, позволяющие объяснить природу и взаимодействие индуцированных токов, возникающих при этом. В соответствии с этой теорией основными факторами, определяющими электрическое состояние поверхности, являются:

- заземление подложки, влияющее на характер прохождения ионно-индуцированного тока;

- плотность потока первичных ионов (ток ионов на поверхность);

- компенсация положительного заряда на поверхности обрабатываемой структуры (ток электронов вторичной плазмы);

- ток вторичных электронов от обрабатываемой поверхности.

В соответствии с этим дано объяснение возникновению и эволюции тока вторичных электронов от многослойной (металл-полупроводник-диэлектрик) структуры, регистрируемого приемником электронов. В работе получено экспериментальное подтверждение данной теории.

Объяснен механизм изменения ионно-индуцированного тока полупроводников, в соответствии с которым изменяется ток вторичных электронов в твердом теле, что сказывается на кинетическом коэффициенте ионно-электронной эмиссии. В соответствии с этим, определяющим параметром на величину выхода вторичных электронов от полупроводников, в отличие от металлов, будет являться Электропроводимость обрабатываемой ионами поверхности. Исследование на полупроводниках позволило определить, что вторичная ионно-электронная эмиссия зависит в равной степени от индуцированного ионами тока электронов, направленного к поверхности, и тока электронов проводимости в поверхностном слое твердого тела. Для металлов эти токи равны. Нарушение баланса этих токов в полупроводниках, обусловленное меньшей электропроводимостью, приводит к изменению конечного выхода вторичных электронов при кинетической ионно-электронной эмиссии.

Разработана модель выхода вторичных электронов из твердого тела, адекватно отражающая расчеты КИЭЭ для металлов и полупроводников. В основу модели положен рассматриваемый принцип постоянства (независимости) КИЭЭ материала от плотности падающего потока ионов. Это обстоятельство позволяет утверждать, что существует прямо пропорциональная зависимость увеличения тока эмиссии при увеличении потока ионов на поверхность. В основу теории был положен модифицированный потенциал Фирсова, характеризующий переданную энергию связанным электронам среды при энергии налетающих частиц до 10 кэВ. Модель включает в себя статистический подход к решению задачи. При расчете основных характеристик ИЭЭ сделаны следующие предположения: количество свободных электронов, появляющихся в результате оже-процесса в зоне проводимости, зависит от изменения уровня Ферми, который, в свою очередь, меняется в результате выделения дополнительной энергии ионами при неупругом столкновении с твердым телом.

В рамках данной модели становится возможным оценить не только коэффициент кинетической ионно-электронной эмиссии разных металлов и полупроводников в зависимости от энергии налетающего иона, но и рассчитать ожидаемый ток вторичных электронов с заданной площади поверхности.

Некоторые различия рассчитываемых параметров и экспериментальных данных объясняется тем, что на практике применяется немоноэнергетический пучок ионов, и расчеты ведутся для определенной плотности потока ионов, которая меняется от эксперимента к эксперименту до 10 %.

Проведены эксперименты по выявлению зависимости тока вторичных электронов от ширины запрещенной зоны полупроводников

GaP, GaAs, Si, Ge, InSb). В соответствии с полученными данными, можно утверждать, что монотонной зависимости не существует. Это объясняется нарушением баланса токов в приповерхностной области, который в случае полупроводников оказывает существенно большее влияние на выход вторичных электронов, чем изменение потенциального барьера на десятые доли электрон-вольта.

В работе проведены эксперименты по ионному травлению гете-роструктур на основе металлических пленок. Тот факт, что ионно-электронная эмиссия очень чувствительна к состоянию поверхности, и то, что различные материалы обладают свойственными только им коэффициентами ионно-электронной эмиссии, позволили установить возможность использования сигнала ионно-электронной эмиссии в качестве контролирующего сигнала для определения момента окончания травления каждого слоя структуры.

Приведенные временные зависимости тока вторичных электронов позволяют однозначно утверждать о возможности применения разработанной методики определения «послойных моментов окончания травления» при ионно-лучевой обработке пленочных покрытий. Основной проблемой при этом остается высокая чувствительность метода к поверхностным загрязнениям слоев и электрическим напряжениям на границах гетероструктуры, а так же расходимость ионного пучка в пространстве. Уменьшая влияние состояния поверхности и расходимости пучка, можно добиться пригодных результатов для осуществления соответствующего контроля. Представленные результаты наглядно демонстрируют возможности разработанного метода применительно к технологическим процессам полупроводникового производства. Так при условии экранировании плазмы ионного источника, возможно в едином технологическом процессе ионной обработки металлов, полупроводников и даже диэлектриков, а также пленочных структур на их основе, исследовать и контролировать поверхность твердых тел и фиксировать характерные точки стравливаемых структур с точностью определения по толщине не хуже 4.5 %.

1. Крапухин В.В., Соколов И.А., Кузнецов Г.Д. // Технология материалов электронной техники. М.: МИСиС. 1995.

2. Кузнецов Г.Д. // Элионная технология в микроэлектронике. Курс лекций. М.: МИСиС. 1991.

3. Добрецов JI.H., Гомоюнова М.В. // Эмиссионная электроника. М.: Наука. 1966.

4. Кузнецов Г.Д., Сушков В.П., Кушхов А.Р. и др. // Изв. вузов. Материалы электронной техники. 2003. № 4. с. 4-15.

5. Поляков А.Я., Смирнов Н.Б., Говорков А.В. и др. // Свето-диоды и лазеры. 2002. № 1-2. с. 93-94.

6. Лучинин В.В., Лютецкая И.Г., Сазанов А.П. // Изв. вузов. Электроника. 1999. № 3. с. 3-13.

7. Kuznetsov G., Deilan V. // Surface and coating technol. 1992. № 54/55. p. 96-101.

8. Аброян И.А., Андронов A.H., Титов А.И. // Физические основы электронной и ионной технологии. М.: Высшая школа. 1984.

9. Аброян И.А., Гордиенко Е.В., Крысов, Г.А. и др. // Электронная промышленность. 1981. № 7-8. с. 51-55.

10. Wolf E.D., Adesida I., Chin J.D. // J. Vac. Sci. and Technol. 1984. V.A2. N 2. Pt. I. p. 464-469.1 1. Revell P.J., Goidspink G.F. // Vacuum. 1984. V.34. N 3-4. p. 455-462.

11. Horiike Y. // Japan Annual Reviews in Electronics. Computer and Telecommunications Semiconductor Technologies. 1983. V.8. p. 55-72.

12. Bunshah R.F. // Noyes publication. Park Ridge. New-Jersy. U.S.A. p. 1-186.

13. Kane S.M., Ahn K.Y. // J. Vac. Sci. And Technol. 1979. V. 16. N 2. p. 171-174.

14. Sites J.R., Gilstrap P., Rujkorakarw R. / Opt. Eng. 1983. V.22. N 4. 447-449.

15. Ивановский Г.Ф. // Электронная промышленность. 1980. № 3. с. 26.

16. Лабунов В.А., Рейсе Г. // Зарубежная электронная техника. 1982. № I.e. 3-42.

17. Maddox R.L. // Microelectron. J. 1980. V. 11. N 1. p. 418.

18. Симакин С.Б. // Вакуумная техника и технология. 1992. Т. II. № 4. с. 89-90.

19. Matthes A., Schmidl F., Barholz K-U. and other // Supercond. Sci. Technol. 1995. № 8. p. 676-679.

20. Симакин С.Б. // Исследование ионно-индуцированных токов в пленочных структурах с целью управления процессами ионно-плазменной обработки. Дис. канд. наук М.: Институт вакуумной техники. 1986. с. 190.

21. Сергиенко А.А., Симакин С.Б., Кузнецов Г.Д. и др. // Материалы российско-японского семинара «Перспективные технологии для материаловедения, микро- и наноэлектроники». Астрахань. 2006. с. 285-290.

22. Симакин С.Б., Кузнецов Г.Д., Сергиенко А.А. и др. // Материалы российско-японского семинара «Перспективные технологии для материаловедения, микро- и наноэлектроники». Астрахань. 2006. с. 291-296.

23. Тешев Р.Ш., Кузнецов Г.Д. // Изв. вузов. Материалы электронной техники. 2002. № 2. с. 3-13.

24. Кузнецов Г.Д., Журавлев А.В., Паршин А.В. // Труды 2 Международной конференции «Физико-технические проблемы электротехнических материалов» Клязьма. 1999. с. 112-113.

25. Кислов Н.М., Кузнецов Г.Д., Сергиенко А.А. и др. // Изв. вузов. Материалы электронной техники. 2004. № 4. с. 63-67.

26. Кузнецов Г.Д., Симакин С.Б., Сергиенко А.А. и др. // Мате-ралы IX Межгосударственного семинара «Термоэлектрики и их применение». Санкт-Петербург. 2004.

27. Дорожкин А.А., Петров Н.Н. // Сб. "Применение методов электронной и ионной обработки в промышленности". JL: Дом НТП. 1985. с. 42-45.

28. Журавлев В. А. // Использование ионно-электронной эмиссии для контроля процессов ионно-лучевого травления пленочных структур. Дис. канд. наук-М.: МИСиС. 1993. с. 219.

29. Ковельский Г.А. // Эмиссионные явления при взаимодействии ионов и атомов с поверхностью твердого тела. М. 2002.

30. Дорожкин А.А., Ершов С.Г., Филимонов А.В. и др. // ЖТФ. 1994. Т. 64. №12. с.132-136.

31. Ковалев В.П. // Вторичные электроны. М.: Энергоатомиз-дат. 1987.

32. Брусиловекий Б.А. // Кинетическая ионно-электронная эмиссия М.: Энергоиздат. 1990.

33. Аброян И.А., Еремеев М.А., Петров Н.Н. // Успехи физических наук. 1967. Т. 92. № 1, с. 105-157.

34. Krebs К. Н. // Vacuum. 1983. V. 33. N. 9. р. 555-563.

35. Борисов A.M., Куликаускас B.C., Машкова Е.С. // Поверхность. 2001. № 8. с. 59-63.

36. Дорожкин А.А., Петров Н.Н. // ФТТ. 1974. № 3. с. 800-803.

37. Борисов A.M., Машкова Е.С., Немов А.С. и др. // Поверхность. № 3. 2005. с. 70-76.

38. Брусиловский Б.А. // Поверхность. 1993. № 12. с. 5-8.

39. Брусиловский Б.А. // Поверхность. 1987. № 3. с. 78-88.

40. Баклицкий Б.Е., Парилис Э.С. // Журн. техн. физ. 1986. Т. 56. № 1. с. 27-35.

41. Парилис Э.С., Кишиневский JI. М. // Физика твердого тела. 1961. Т. 3. № 4. с. 1219-1228.

42. Винокуров Я.А., Кишеневский П.М., Парилис Э.С. // Изв. АН СССР. Сер. Физ. 1976. Т. 40. № 8. е. 1745-1748.

43. Баклицкий Б.А., Парилис Э.С. // Поверхность. 1982. № 8. с. 92-100.

44. Кишеневский JI.M., Парилис Э.С. // Журн. техн. физ. 1982. Т.52. № 7. с. 1290-1298.

45. Кишиневский J1.M., Парилис Э.С. // Труды 5 Всес. конф, ВАЧТ. ч. 1. Минск: БГУ. 1978. с. 217.

46. Фогель Я.М., Слабоспицкий Р.П., Растрепин А.В. // Журн. техн. физ. 1960. Т.30. № 1. с. 63-73.

47. Evdokimov I.N., Mashkova E.S., Molchanov V.A. and other // Phys. state sol. 1967. Vol. 19. N 1. p. 407-415.

48. Дорожкин A.A. // Ионно-электронная эмиссия и автоионизационные явления. Дис. д-ра физ-мат. Наук. J1. 1985.

49. Андерсен X., Бай X. // Распыление твердых тел ионной бомбардировкой: Физ. Распыление одноэлементных твердых тел. / Под ред. Р. Бериша. М.: Мир. 1984. с. 194.

50. Готт Ю.В. // Взаимодействие частиц с веществом в плазменных исследованиях. М.: Атомиздат. 1978.

51. Евдокимов И.Н., Молчанов В.А. // Известия АН СССР. Сер. физ. 1969. Т. 33. № 5. с. 762-764.

52. Евдокимов И.Н., Молчанов В.А. // Доклады 14 Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике. Ташкент: ФАН. 1970. с. 23.

53. Евдокимов И.Н. // Взаимодействие атомных частиц с твердым телом. М.: ОНТИ ИАЭ. 1972. с.24-27.

54. Евдокимов И.Н. // Взаимодействие атомных частиц с твердым телом. Часть 2. Киев: Наукова Думка. 1974. с. 42-45.

55. Дорожкин А.А., Петров А.А., Петров Н.Н. // Труды ЛПИ им. М.И. Калинина. 1977. № 356 ("Физическая электроника"). с. 79-82.

56. Дорожкин А.А., Петров А.А., Петров Н.Н. // Изв. АН СССР. Серия физическая. 1976. Т.40. № 12. с. 2566-2570.

57. Дорожкин А.А., Мишин А.Н., Петров Н.Н. // Труды ЛПИ им. М.И. Калинина. 1975. № 345 ("Физическая электроника"), с. 13-16.

58. Мишин А.Н., Петров Н.Н. // Труды ЛПИ им. М.И. Калинина. 1975. № 345 ("Физическая электроника"), с. 3-12.

59. Evdokimov I.N., Molchanov V.A. // Physics Letters. 1968. V.26A. N 12. p. 636-637.

60. Кузнецов Г.Д., Кислов Н.М., Сергиенко А.А. // Труды 3-ей Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе (кремний 2003г.). Москва. 2003г.

61. Кислов Н.М., Кузнецов Г.Д., Сергиенко А.А. // Труды IV международной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии». Кисловодск. 2004г.

62. Еремеев М.А., Петров Н.Н. // Проблемы современной физики. 1956. № 9. с. 133-168.

63. Эльтеков В.А. // Взаимодействие атомных частиц с твердым телом. Компьютерное моделирование. М.: Моск. Ун-та. 1993.

64. Евдокимов И.Н., Молчанов В.А., Одинцов Д.Д. и др. // Физика твердого тела. 1966. Т.8. № 10. с. 2939-2944.

65. Евдокимов И.Н., Молчанов В.А., Одинцов Д.Д. и др. // Доклады АН СССР. 1967. Т.177. № 3. с. 550-554.

66. Евдокимов И.Н., Молчанов В.А. // Тезисы докладов 13 Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике. М.: Наука. 1968. с. 70.

67. Петров Н.Н., Дорожкин А.А. // ФТТ. 1961. Т.З. № 1. с. 53-60.

68. Петров Н.Н. // ФТТ. 1960. Т.2. №5. с.1300-1307.

69. Петров Н.Н. // ФТТ. 1960. Т.2. №5. с.940-948.

70. Макаров В.В., Петров Н.Н. // ФТТ. 1981. Т.23. № 6. с. 17671774.

71. Аброян И. А., Лавров В. П. // Физическая электроника. 1967. № 227. с. 93.

72. Батанов Г. М. // РиЭ. 1963. № 8. с. 852.

73. Керков X., Петухов В.П., Романовский Е.А. и др. // Известия АН. Серия физическая. 2004. Т. 68. № 3. с. 405-407.

74. Керков X., Петухов В.П., Романовский Е.А. и др. // Известия АН. Серия физическая. 2002. Т. 66. № 4. с. 533-537.

75. Фирсов О.Б. // ЖЭТФ. 1959. № 36. с. 1517.

76. Дорожкин А.А., Петров Н.Н. // ФТТ. 1974. № 3. с. 947-949.

77. Дорожкин А.А., Мишин А.Н., Петров Н.Н. // Известия АН СССР. 1974. № 38. с. 249.

78. Плазменная технология в производстве СБИС / ред. Айнс-прук Н., Браун Д. М.: Мир. 1987.

79. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой / ред. Бе-риша Р. М.: Мир. 1984.