Инновации

Разработана серия источников ионов для реактивного травления и осаждения тонких пленок. Достоинства и технологические  возможности ионно-лучевых технологий: высокая направленность воздействия, обеспечивающая высокую прецизионность; возможность получения  вертикальных ступенек при травлении через маску; отсутствие ухода размеров элементов; возможность формирования пучков ионов как инертных, так и химически  активных газов; возможность управления энергией ионов в широких пределах; высокая однородность и воспроизводимость обработки; разрешающая  способность, нм…< 20 (при травлении через  резистивную маску с аспектным отношением 50:1); селективность травления, например, SiO₂:Si 20:1.

Маишев Ю.П., Терентьев Ю.П., Шевчук С.Л. Источники ионов и ионно-лучевые технологии нанесения и травления пленочных структур для микро- и наноэлектроники. (Часть 1). «Интеграл», №5 (49). 2009. С. 10 – 12.

Маишев Ю.П., Терентьев Ю.П., Шевчук С.Л. Источники ионов и ионно-лучевые технологии нанесения и травления пленочных структур для микро- и наноэлектроники. (Часть 2). «Интеграл», №6 (50). 2009. С. 18 – 19.

Развита концепция применения невозмущающих методов мониторинга и диагностики плазменных технологических процессов, основанная на контроле параметров плазмы и приповерхностных слоев пластины в реакторе. Разработаны методы, средства и программное обеспечение, предназначенные для применений при разработке новых технологий для мониторинга параметров технологических процессов и контроля состояния камеры реактора, а также в качестве детекторов окончания процессов.

 

 

К.В. Руденко, Я.Н. Суханов, А.А. Орликовский. Диагностика insitu и управление плазменными процессами в микроэлектронной технологии.// В кн. «Энциклопедия низкотемпературной плазмы», Под ред. Ю.А. Лебедева, Н.А. Платэ, В.Е. Фортова, М.,”Наука”, т. XII-5 (2006).

На основе разработанных методов и средств диагностики in situ плазменных технологических процессов развиты методы контроля параметров анизотропного травления и плазмостимулированного осаждения, которые позволяют обеспечить надежность плазменных технологических процессов при создании микро- и наноструктур.

К.В. Руденко, А.В. Мяконьких, А.А. Орликовский. Мониторинг плазмохимического травления структур poly–Si/SiO₂/Si: зонд Ленгмюра и оптическая эмиссионная спектроскопия. // Микроэлектроника, т.36, № 3, с. 206 – 221. (2007).

K.В. Руденко. Диагностика плазменных процессов в микро- и наноэлектронике.// Химия высоких энергий, т. 42, № 3, стр. 242-249 (2009).

Разработан источник быстрых атомарных и молекулярных нейтральных частиц. Источник работает с инертными и химически активными газами; степень нейтральности формируемых пучков – до 100 %, диапазон энергии частиц – (100 -1500) эВ; отсутствует накопление объёмного заряда в диэлектрическом материале, приводящего к появлению дефектов в режимах осаждения или травления слоёв;отсутствует накопление поверхностного заряда в диэлектрическом материале, приводящего к искажению траекторий частиц кулоновским полем вблизи краёв топологических элементов ИС и невоспроизводимому влиянию на процесс осаждения или травления слоёв.

Маишев Ю.П., Шевчук С.Л., Матвеев Т.Н. Физические принципы формирования пучков быстрых атомов резонансной перезарядкой пучков ионов // Квантовые компьютеры, микро-  и наноэлектроника: физика, технология, диагностика  и моделирование/Отв. ред. В.Ф. Лукичев. М.: Наука. 2008.  (Труды ФТИАН; Т. 19, С. 69 – 77).

Патент Российской Федерации №2 395133 С1 от 10.03.2009  «Источник быстрых нейтральных частиц».

Патент Российской Федерации №2 468 465 С2 от 27.12.2010  «Источник быстрых нейтральных частиц».

• Плазменные процессы в технологии кремниевых ИС, исследуемые в лабораториях ФТИАН
• Широкоапертурный источник плотной плазмы
• Радиальные зависимости концентраций положительных ионов и электронов, электронной температуры в плазме BF₃
• Травление кремния и других материалов на установке с широкоапертурным источником плотной плазмы
• Плазменно-иммерсионная ионная имплантация (ПИИИ)
• Особенности плазмоиммерсионной имплантации (BF₃)
• Формирование суб-100 нм р-n переходов
• Установка для плазмостимулированного осаждения диэлектриков
• Плазмостимулированное осаждение SiO₂ в тренчи (0,5х2 мкм) и частичная планаризация рельефа
• Мониторинг плазменных технологических процессов
• Новое поколение быстродействующих акусто-оптических спектрометров (ВНИИФТРИ)
• Мониторинг процесса формирования затвора МОП-транзистора методом АО-актинометрии
• Мониторинг травления структуры Si₃N₄(0.15мкм)/SiO₂(0.3мкм)/Si методом АО-актинометрии
• Увеличение чувствительности спектральных методов для определения момента окончания процесса
• Диагностика плазмы в широкоапертурных источниках
• Томография источников плазмы на основе ОЭС (2D-распределения реактивных частиц, ионов)
• Плазмохимические модули в микроэлектронных производствах
• Резюме

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЗАДЕЛ В ОБЛАСТИ ИСТОЧНИКОВ ПЛОТНОЙ ПЛАЗМЫ, ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ, ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

(Лаборатория микроструктурирования и субмикронных приборов,
Зав.лабораторией академик А.А.Орликовский)

Плазменные процессы в технологии кремниевых ИС, исследуемые в лабораториях ФТИАН

• Травление кремния, кремнийсодержащих диэлектриков, металлов и т.д.
• Низкотемпературное нанесение диэлектриков
• Снятие фоторезиста (стриппинг)
• Стабилизация резиста
• Очистка поверхности пластин от органических загрязнений и атомов тяжелых металлов
• Частичная планаризация
• Ионная имплантация

Широкоапертурный источник плотной плазмы
ХАРАКТЕРИСТИКИ:

• Тип разряда: ВЧ-индуктивный с магнитным удержанием плазмы
• Генератор:13,56 МГц, до 3 кВт
• Диапазон рабочих давлений: 1×10-4 – 1×10-2 Торр
• Рабочие газы: H₂, He, Ar, C_xF_y, SF₆, O₂, BF₃
• Плотность плазмы (разряд в аргоне):3×10¹² см^-3 при 3×10^-3 торр
• Температура электронов 4,25 эВ
• Возможность масштабирования

 

 

Конструкция реактора, фото на рисунке, включает ВЧ источник плазмы и держатель, предназначенный для размещения на нем пластины Ø 150 мм. Рабочая камера источника представляет собой цилиндр Ø 300 мм и высотой 200 мм, выполненный из нержавеющей стали. Магнитная система ВЧ источника ИВП построена с применением постоянных магнитов, изготовленных из сплава Nd-Fe-B.
В источнике достигнута высокая плотность плазмы и высокая радиальная однородность, низкая температура электронов, что иллюстрируется на рисунках, приведенных ниже.

Радиальные зависимости концентраций положительных ионов и электронов, электронной температуры в плазме BF₃

 

Травление кремния и других материалов на установке с широкоапертурным источником плотной плазмы

 

 

Плазменно-иммерсионная ионная имплантация (ПИИИ)

Традиционные методы ионной имплантации становятся малопроизводительными в диапазоне энергий ионов ниже 5 кэВ, что связано с неизбежным падением тока пучка, формируемого ионной оптикой. Использование оксидных и резистивных масок для дополнительного торможения высокоэнергетичных ионов при ультрамелком легировании поверхностных областей кремния существенно усложняет технологию.
Альтернативным способом ультрамелкого легирования, позволяющим разрешить эту проблему, является метод широкоапертурной плазменно-иммерсионной ионной имплантации (ПИ₃). В отличие от традиционных имплантеров, иммерсионный режим дает сокращение времени набора дозы в десятки раз с возможностью прецизионной регулировки энергии ионов в суб-1кэВ диапазоне. В то же время, отсутствие сепарации ионов по массам предъявляет повышенные требования к разработке конкретных процессов имплантации. Преимущества ПИИИ сводятся к следущим:

• Возможность создания р-n переходов с глубиной залегания 10-100 нм
• Возможность увеличения производительности процесса в десятки раз по отношению к традиционным имплантерам
• Стоимостные и массогабаритные показатели ПИИИ на порядок превосходят традиционные имплантеры

Во ФТИАН разработан плазменно-иммерсионный ионный имплантер

   Со следующими характеристиками:

• Диаметр обрабатываемых пластин: 150-200 мм
• Плотность ионов в плазме (BF3): 5х10¹⁰-5х10¹¹см^-3
• Плотность ионного тока: 1-5 мА/см²
• Неоднородность плотности ионов на диаметре 150 мм: <2%
• Режим имплантации: импульсно-периодический
• Параметры импульсов смещения: длительность 1–20 мкс, частота 0.5–5 кГц,
• Амплитуда: -(0.2–5) кВ
• Время набора дозы: <1 мин.

 

Особенности плазмоиммерсионной имплантации (BF₃)

 

Распределения концентрации бора в зависимости от процентного содержания ионов BF₂⁺ в общем потоке ионов: 50% – красн., 70% – зелен., 90% – синяя линии (расчет). Эксперименту соответствует зеленая линия.

Одновременно с процессом имплантации в плазме BF₃ радикалы фтора травят приповерхностный слой, что с увеличением дозы приводит к насыщению результирующей дозы.

 

Формирование суб-100 нм р-n переходов

 

Оценка дозы D=55*10^-6 К/см²

 

Установка для плазмостимулированного осаждения диэлектриков

Состав прототипа установки, разработанной ФТИАН:

• Плазменный источник с индуктивным возбуждением плазмы и магнитной системой для повышения плотности и однородности плазмы;
• Держатель с механическим прижимом пластины с подачей газообразного гелия под пластину для выравнивания радиального распределения температуры по пластине и улучшения ее теплового контакта с держателем;
• Вакуумная система (система откачки);
• Система газонапуска;
• ВЧ генератор с устройством согласования с индуктором возбуждения плазмы;
• ВЧ генератор с устройством согласования для подачи смещения на держатель пластины;
• Система контроля и поддержания температуры пластины;
• Шлюзовая камера для ручной загрузки пластин;
• Система мониторинга процесса осаждения методом многоканальной элипсометрии;
• Автоматизированная спектроскопическая система мониторинга компонентного состава плазмы;
• Система автоматического управления процессом осаждения и вспомогательными операциями (управление системой загрузки-выгрузки пластин, вакуумной системой, газовой системой, системой поддержания температуры пластины; генераторами мощности и смещения и остановка процесса);
• Стойка ручного управления.

Установка удовлетворяет следующим техническим требованиям:
Диаметр плазменного источника: не более 350 мм
Высота источника: не более 300 мм
Диаметр обрабатываемой пластины: 100 мм
Неоднородность плотности ионов на диаметре 100 мм: <±1%
Плотность ионного тока на пластине: 0,1–20 мА/см²
Рабочее давление:10^-4–10^-2 Topp
Остаточное давление:2×10^-6 Topp
Тип высоковакуумного насоса, его производительность: Турбомолекулярный, не менее 750 л/с
Тип форвакуумного насоса, его производительность: Механический, не мене 14 л/мин
Рабочие газы: SiH₄, O₂, Не, гексаметилдисилозан тетраэтоксисилан, Аг и др.
Способ подачи газов: Газораспределительное кольцо
Количество каналов газонапуска и тип регуляторов расхода газа: 4, стандартный (РРГ – 6 или РРГ-3)
Магнитная система: Постоянные магниты из сплава Nd-Fe-B

 

 

Способ возбуждения плазмы: Безэлектродный разряд с ВЧ индуктивным возбуждением плазмы
Диапазон автоматического поддержания температуры пластины: 80-500°С
Точность поддержания температуры: Не хуже ±10°С
Разброс значений температуры по площади пластины на диаметре 90 мм в процессе осаждения: ±3%
Прижим пластины: Механический
Время загрузки (выгрузки) пластины: Не более 60 с.
Способ измерения толщины растущей пленки, тип прибора и его паспортное разрешение по толщине: Многоканальная элипсометрия; ЕК-70, 0.1 нм
Диапазон спектрометра: 300-800 нм
Спектральное разрешение: 0,15-0,35 нм
Максимальная скорость роста двуокиси кремния: Не менее 0,2 мкм/мин.
Смещение, подаваемое на держатель пластин: ВЧ-13,56 МГц, 0-500 Вт, возникающее при этом постоянное смещение должно лежать в диапазоне +20 + – 400 В
Конструкционные материалы вакуумного объема: Нержавеющая сталь, сверхчистая керамика, кварц, витон, медь
Масса: Не более 800 кг

Плазмостимулированное осаждение SiO₂ в тренчи (0,5х2 мкм) и частичная планаризация рельефа
Осаждение SiO₂ окислением (CH3)₆Si₂O
W=1,5 кВт, Р=2х10^-3 Торр, Ts=300K; O/Si=1,95-1,99;
Eпор=10⁶ В/см;
Iут<10-10 A/см²; n=1,45±0,01
Неравномерность на 200 мм < 2%

Тренчи шириной 0,5 мкм и глубиной 1,5 мкм заполнялись диоксидом кремния, получаемым из процесса плазмохимического разложения гексаметилдисилоксана (ГМДС) с последующим окислением продуктов реакции на поверхности пластины.

Скорость заполнения при высоких аспектных соотношениях не превышала 0,1мкм/мин. Продемонстрировано сглаживание рельефа после заполнения тренчей и возможность планаризации поверхности после заполнения тренчей с высоким аспектным соотношением.

Мониторинг плазменных технологических процессов

• Спектральные диагностические методы.
• Масс-спектрометрия in situ.
• Зондовые методы диагностики процессов травления.
• СВЧ-диагностика плазмы в качестве end-point детектора.
• Интерферометрические и эллипсометрические методы.
• Термометрия поверхности в диагностике плазменных процессов.

Новое поколение быстродействующих акусто-оптических спектрометров (ВНИИФТРИ)

• Спектральный диапазон: 400-800 (300-855) нм
• Число независимых спектральных каналов: 1-4
• Спектральное разрешение: 0,15 – 0,3 нм
• Частицы в плазме, регистрация которых возможна использованием АОС
• Реактивные частицы: Cl*,Cl+, F*, Br*,Br+, O*, O₂+, CF, CCl, H-продукты реакции:SiF*, CN*, CO, Al, Si, С₂– газы-актинометры: N₂, He, Ne, Ar, Kr, Xe

 

Мониторинг процесса формирования затвора МОП-транзистора методом АО-актинометрии

 

 

Мониторинг травления структуры Si₃N₄(0.15мкм)/SiO₂(0.3мкм)/Si методом АО-актинометрии

 

 

Увеличение чувствительности спектральных методов для определения момента окончания процесса

 

Разностная схема для геликонных и ЭЦР –источников плазмы фазового детектирования для ICP/TCP – источников плазмы
В основе предложенного нами метода спектрального синхронного детектирования лежит тот факт, что полезный сигнал эмиссии ХАЧ неизбежно оказывается модулирован частотами, присутствующими в генераторе плазмы. В НЧ-генераторах плазмы глубина модуляция оптической эмиссии достигает 100 %. Используя частоту модуляции генератора плазмы как опорную для фазового детектора, входной измеренный сигнал оптической эмиссии, пришедший в фазе с опорным, демодулируется по отношению к этой частоте. Все сигналы некогерентные с опорным, резко ослабляются. Поэтому проверка гипотезы о положительном эффекте синхронного детектирования спектрального сигнала проводилась на НЧ-реакторе, имеющем максимальную глубину модуляции разряда. Блок-схема модифицированной установки спектрального мониторинга с фазовым детектированием показана на рисунке. Она включает в себя спектрометр, систему выделения сигнала и саму установку ПХТ.
Спектральный анализ эмиссионного сигнала плазмы проводился скоростным акустооптическим спектрометром “Кварц-4М”, состоящим из фотоприемной головки и электронного блока обработки сигнала, совмещенного с управляющим компьютером. Для выделения из шумов преобразованного фотоголовкой сигнала эмиссионных линий плазмы применен фазовый детектор “Unipan 232B” с предварительной фильтрацией исследуемого сигнала полосовым фильтром “Unipan 233”. Подключение фазового детектора к используемому спектрометру, с целью сохранения режимов работы электронных блоков последнего, осуществлялось через разработанное устройство согласования.
Для распространенных в настоящее время ВЧ- (13,56 МГц) и СВЧ- (2.45 ГГц) плазменных реакторов необходимо вводить низкочастотную модуляцию генераторов, сигнал которой и будет опорным для синхронного детектирования.

Диагностика плазмы в широкоапертурных источниках

Автоматизированный диагностический комплекс:

• автоматизированная оптическая эмиссионная спектрометрия для определения состава плазмы
• автоматизированные измерения плотности плазмы, температуры электронов и равномерности потока ионов с пространственным разрешением

 

 

Томография источников плазмы на основе ОЭС (2D-распределения реактивных частиц, ионов)

• Синхронный двухканальный спектрометр для регистрации эмиссионного излучения активных радикалов и ионов во F-, Cl-и Br-содержащей плазме по двум независимым каналам,
• Система автоматизированного сканирования оптических детекторов по двум координатам,
• Комплект программного обеспечения управления томографом,
• Пакет специализированных программ компьютерной томографии

 

Продольное распределение плотности частиц в плазме вдоль поверхности пластины является критическим для плазменных процессов на стадии производства интегральных схем, и должно быть оптимизировано на этапе разработки процесса. Оптическая эмиссионная томография плазмы является многообещающим методом для этой цели.

 

Плазмохимические модули в микроэлектронных производствах

Резюме

Разработаны масштабируемые широкоапертурные источники плотной плазмы и конструкции плазменных установок на их основе, разработаны плазменные глубоко субмикронные процессы травления, осаждения, частичной планаризации, имплантации, стабилизации и удаления резиста, очистки поверхности пластин и др.
Разработаны методы мониторинга плазменных процессов и аттестации источников плазмы применением только отечественных диагностических средств: оптических эмиссионных спектрометров (ВНИИФТРИ) и спектроэллипсометров (ИРЭ РАН)
На основе выполненных разработок возможно создание промышленного оборудования как кластерного, так и модульного типов для отечественных глубоко субмикронных производств.

Установка плазмохимического травления

• Тип источника плазмы: плоский ICP
• Генератор: 13,56 МГц, 1 кВт
• Источник смещения: до 400 Вт (13,56 МГц)
• Диаметр пластины: 150, 200 мм
• Рабочие давления: 0,5-50 мТор
• Система подачи газов: 4 канала, 0-200 Sccm
• Газы: F-, Cl- содержащие, O₂, H₂, Ar
• Плотность плазмы: до 3*10¹² см^-3
• Температура электронов: < 4 эВ (Ar)
• Неравномерность плазмы: < 2% на ø 200 мм
• Скорость травления: до 6 мкм/мин (Si) и до 0,8 мкм/мин (SiO₂)
• Полная автоматизация процесса с управлением от персонального компьютера

 

Плазменное анизотропное травление кремния для изделий микромеханики

 

 

 

 

В лаборатории ионно – лучевых технологий ФТИАН созданы и защищены патентами и авторскими свидетельствами методы ионно–лучевой обработки и ряд источников ионов с холодным катодом, предназначенные для использования в технологических процессах реактивного ионно – лучевого травления материалов, очистки поверхностей перед нанесением покрытий, активации поверхностей в процессе осаждения покрытий, полировки поверхностей, нанесения пленок непосредственно из пучков ионов или распылением мишеней.
Нами на пять лет раньше, чем за рубежом впервые был предложен и реализован метод прецизионного селективного реактивного ионно – лучевого травления пучками ионов химически активных соединений.
Ионно – лучевая обработка материалов осуществляется пучком ускоренных заряженных частиц, сформированных в автономных источниках ионов.
Принцип ионно-лучевой обработки заключается в том, что рабочее вещество подается в автономный источник ионов, в котором происходит его ионизация, ускорение ионов до требуемой энергии и формирование пучка ионов.
Обычно энергия ионов составляет 100-5000 эВ в зависимости от технологического процесса.
Ускоренные ионы попадают в технологическую камеру без столкновений с остаточным газом и взаимодействуют с поверхностью обрабатываемого объекта, вызывая либо распыление материала (ионы аргона), либо образование летучих соединений (ионы химически активных веществ), либо осаждение материала (углеводороды).
При распространении пучка ионов в промежутке источник ионов обрабатываемый объект образуется пучковая плазма, состоящая из ускоренных ионов и медленных электронов, возникающих при ионизации остаточного газа и в результате взаимодействия пучка ионов с обрабатываемым объектом. Потенциал пучковой плазмы не превышает обычно 10-40 В относительно земли. Исследования показали, что режим работы источника определяют не только параметры ионного пучка, но и степень его компенсации, характеристики вторичной плазмы, свойства пучковой плазмы и характер ее взаимодействия с обрабатываемой поверхностью.
На обрабатываемой поверхности происходят следующие процессы: нейтрализация ионов пучка с образованием газового потока, удаление материала в результате физического распыления или химического взаимодействия ионов с материалом подложки, эмиссия электронов с поверхности при ионной бомбардировке, поступление потока электронов из пучковой плазмы или с катода нейтрализации, расположенного вблизи источника ионов.

 Достоинства ионно-лучевых технологий:

• высокая направленность воздействия, обеспечивающая высокую прецизионность;
• возможность получения вертикальных ступенек при травлении через маску;
• отсутствие ухода размеров элементов;
• возможность формирования пучков ионов как инертных, так и химически активных газов;
• возможность управления энергией ионов в широких пределах;
• возможность управления зарядом на обрабатываемой поверхности независимо от параметров пучка ионов;
• точность и простота контроля процесса обработки путем измерения тока пучка ионов;
• высокая однородность и воспроизводимость обработки.

Применение ионно-лучевых технологий позволяет либо повысить качество и выход годных выпускаемых приборов, либо создавать новые приборы или изделия, изготовление которых другими методами затруднительно.

Достоинства источников ионов
Для реализации ионно-лучевых технологий нами разработан ряд оригинальных источников ионов для травления материалов и нанесения пленок.
Во всех источниках используется единый физический принцип формирования пучка ионов, заключающийся в создании внутри ускоряющего промежутка скрещенных электрического и магнитного полей, удерживающих электроны, ионизующие рабочее вещество. Величина ускоряющего промежутка примерно равна ларморовскому радиусу электрона. Это позволило существенно повысить интенсивность пучка ионов по сравнению с ограничениями «закона 3/2» (закона Ленгмюра) и исключить применение накаливаемых элементов.
Разработанные источники ионов по сравнению с зарубежными аналогами, например, с источниками Кауфмана, источниками с седловидным полем, СВЧ источниками обладают следующими достоинствами:

• позволяют работать практически с любыми химически активными газами, благодаря использованию холодного катода;
• обеспечивают получение в 2-3 раза больших плотностей ионного тока при той же энергии ионов;
• позволяют формировать пучки ионов различной формы и конфигурации;
• обеспечивают однородную обработку неподвижных поверхностей большой площади;
• имеют больший срок службы и простую конструкцию.

Технологические процессы, осуществляемые с помощью разработанных источников ионов

Очистка, активация и полировка поверхностей объектов.
Очистка поверхности в вакууме может осуществляться различными методами: тлеющим разрядом, ВЧ разрядом, подачей постоянного и ВЧ потенциала на подложку, находящуюся в газоразрядной плазме.

Преимущества очистки подложки пучком ионов состоят в следующем:

• более высокий рабочий вакуум;
• возможность использования пучков ионов как инертных, так и химически активных газов;
•  управление в широком диапазоне энергией ионов и плотностью тока пучка ионов;   
• регулировка заряда на обрабатываемой поверхности;
• отсутствие электрического поля вблизи обрабатываемой поверхности.

Химические методы очистки не всегда позволяют получать поверхность, свободную от органических растворителей, химических реагентов, пленок сложного состава, не взаимодействующих с растворителями.
Так как состав загрязнений как правило неизвестен, распыление ионами аргона является наиболее эффективным методом удаления сверхтонких поверхностных слоев и позволяет проводить очистку подложки, недостижимую в случае обработки жидкостными методами.
Для удаления органических загрязнений очистку поверхности целесообразно проводить ионами кислорода, образующими с органическими соединениями летучие продукты взаимодействия.
Наиболее эффективно использовать очистку пучком ионов непосредственно перед операцией нанесения пленок в едином вакуумном цикле.
Нанесение пленок на предварительно очищенную поверхность приводит к существенному улучшению качества и надежности изготавливаемых изделий за счет улучшения адгезии пленок к подложке, увеличения сплошности пленок при малых толщинах, уменьшения влияния окружающей среды на качество покрытий.
Обработка поверхности пучком ионов не только очищает ее от загрязнений, но и активирует ее или растущую пленку, если процесс обработки пучком ионов проводится одновременно с нанесением пленки. При этом на поверхности образуются свободные связи, которые при нанесении пленки становятся искусственными центрами зародышеобразования.
При активации поверхности стекла, например, во время нанесения пленок алюминия, меди, хрома или других металлов, сплошные пленки образуются даже при толщине несколько нм. На необлученной ионами поверхности сплошная пленка не образуется.
Процесс активации эффективен, если применять его непосредственно перед нанесением или в процессе нанесения пленок.
Обработка пучками ионов различных газов поверхностей металлов, полупроводников и диэлектриков позволяет существенно понизить высоту неровностей поверхности, то есть добиться ее полировки. Для обработки применяют пучки ионов инертных газов, например, аргона, а также химически активных соединений ? кислорода, фторсодержащих соединений и т. д. Эффект полировки существенно зависит от состава пучка ионов и угла падения ионов на подложку.

Травление материалов
В конце 60-х годов в России и за рубежом был освоен процесс ионно-лучевого травления материалов (ИЛТ) через фоторезистивные маски. Травление осуществлялось пучками ионов инертных газов за счет физического распыления материалов.
В 1974 году нами впервые был предложен и реализован процесс селективного прецизионного травления материалов пучками ионов химически активных соединений, который позже стали называть процессом реактивного ионно-лучевого травления (РИЛТ).
Процесс РИЛТ состоит в удалении материала за счет химического взаимодействия ионов химически активных соединений с обрабатываемым материалом, в результате чего образуются летучие соединения, откачиваемые вакуумной системой. Вследствие этого РИЛТ, сохраняя достоинства ИЛТ по разрешению процесса и точности переноса рисунка, обеспечивает селективность травления одного материала относительно другого.

Методы ИЛТ и РИЛТ по сравнению с плазмохимическим травлением (ПХТ) имеют ряд преимуществ.
Во – первых, ИЛТ и РИЛТ являются наиболее анизотропными процессами, поскольку ионы образуются и ускоряются до требуемой энергии в автономном источнике и с малой расходимостью (обычно не превышающей 5%) проходят пространство между источником и подложкой в высоком вакууме без соударений с молекулами остаточного газа. Отсюда вытекают следующие технологические возможности методов ИЛТ и РИЛТ  достижение высокого разрешения (получены субмикронные размеры элементов менее 0.15 мкм); получение соотношения высоты к ширине ступеньки > 30:1; управление профилем ступеньки и получение канавки требуемой конфигурации, за счет возможности изменения угла наклона пучка к обрабатываемой поверхности. При использовании ПХТ ионы бомбардируют подложку нормально к поверхности и энергию приобретают в промежутке между плазмой и обрабатываемой поверхностью, что ограничивает возможности анизотропного травления.
Во – вторых, методы ИЛТ и РИЛТ позволяют независимо управлять составом пучка и энергией ионов. Появляются более широкие технологические возможности, в частности, травление практически любых веществ (включая материалы, не дающие при взаимодействии с ионами летучих соединений), изменение селективности травления, теплового и радиационного воздействия на подложку.
В – третьих, участие в процессах ИЛТ и РИЛТ только заряженных частиц позволяет строго контролировать и точно воспроизводить эти процессы. При проведении ПХТ в процессе травления участвуют как заряженные частицы, так и нейтральные (радикалы, возбужденные атомы, быстрые нейтралы), потоки которых на подложку трудно контролировать.
В – четвертых, методы ИЛТ и РИЛТ позволяют управлять в широких пределах поверхностным зарядом на подложке за счет регулировки потока электронов, эмитируемых катодом нейтрализации. Следовательно, можно исключить влияние зарядов на параметры приборов.
Травление пучками ионов инертных газов используют для материалов, не образующих летучих химических соединений с ионами химически активных веществ. Это, прежде всего, благородные металлы, сплавы с никелем (например, пермаллой), медь и другие вещества.
Существенно большее применение нашел метод РИЛТ. Основное его преимущество по сравнению с ИЛТ состоит в селективном удалении одного слоя относительно другого. Выбором рабочих веществ можно управлять селективностью травления. Применение фторсодержащих соединений позволяет травить пленки SiO2 и Si3N4 со скоростью в 5 раз большей, чем резистивные маски, что обеспечивает точный перенос размеров рисунка резистивной маски на обрабатываемые слои. В то же время использование ионов кислорода позволяет удалять резист со скоростью в 15-20 раз большей, чем пленки SiO2 и Si. Пленки SiO2 травятся ионами хладонов C3F8, CHF3 с селективностью (10-15):1 по отношению к Si. Высокая селективность процесса РИЛТ позволяет исключить ряд технологических операций, например, при травлении разновысокой двуокиси кремния (системы SiO2 – Si3N4 – SiO2), а для ряда операций – задубливание фоторезиста, что особенно важно при получении элементов с субмикронными размерами.

Для реализации РИЛТ нами разработаны источники ионов типа “Радикал”, результаты использования которых позволяют сделать следующие выводы:

• разрешение РИЛТ составляет 0.15 мкм и ограничивается размерами резистивной маски;
• точность передачи размеров элементов составляет 0.05 мкм;
• избирательность травления достигает 15 – 20 ( например, SiO2 и Si3N4 к Si ), а (SiO2 к GaAs) – 10 -12;
• глубина травления достигает 20 – 40 мкм;
• скорость травления достигает 14 нм / c (при зоне обработки 0.1 м2);
• равномерность травления составляет 2 – 5 %;
• обеспечивается возможность управления зарядом на обрабатываемой поверхности с помощью низкоэнергетичных электронов.

Повышение требований к равномерности травления слоев различных структур вызвали необходимость создания новых типов источников ионов с холодным катодом (“Радикал М – 100”, “Радикал М – 200” , и др.), в которых реализованы возможности формирования многопучкового ионного потока и высокая плотность тока ионов практически любых газообразных веществ.
Скорости травления различных материалов с помощью разработанных нами процессов РИЛТ и ионных источников приведены на слайде.
Использование в процессах РИЛТ различных рабочих веществ существенно влияет на скорость травления.
Метод РИЛТ был внедрен на ряде предприятий для травления слоев SiO2, Si3N4 и сложных систем SiO2 – Si3N4 – SiO2 толщиной порядка 1 мкм через маскирующий фоторезист. При использовании в качестве рабочего газа хладона -14, хладона -113 и других скорость травления SiO2 и Si3N4 в 3 – 7 раз превышала скорость травления кремния и фоторезиста. Точность передачи геометрических размеров с резистивной маски на пленку SiO2, Si3N4 составляла менее 0.1 мкм при травлении в оптимальных режимах.
Применение РИЛТ решает не только технические, но и экологические проблемы. Одна установка РИЛТ экономит в год больше тонны кислот особой чистоты, таких как серная, азотная плавиковая, ледяная уксусная, соляная и другие, а также свыше 10 тысяч м3 деионизованной воды.

Нанесение пленок
Тонкие пленки различных материалов можно наносить на подложку, распыляя материал мишени пучком ионов инертных газов.
Основные достоинства этого метода нанесения пленок по сравнению с методом ионно – плазменного распыления состоят в следующем:

• возможность нанесения пленок материалов сложного состава с сохранением компонентного состава мишени;
• малое рабочее давление в технологической камере, ограниченное лишь быстротой откачки вакуумной системы, а не условиями поддержания разряда;
• отсутствие электрических полей в области подложки, что особенно важно при нанесении диэлектрических пленок на подложки из проводящих материалов;
• возможность управления зарядами в осаждаемой диэлектрической пленке с помощью электронов, эмитируемых катодом нейтрализации.

Ионно – лучевой метод наиболее эффективен для нанесения пленок многокомпонентных материалов, различных диэлектриков, магнитных материалов.
Для реализации этого метода нами были разработаны источники ионов с холодным катодом типа “ Холодок ”, позволяющие в отличие от известных методов бомбардировать распыляемые мишени высокоэнергетичными ионами практически любых газообразных веществ, включая химически активные соединения.
Источник ионов “Холодок – 1” создает радиально сходящийся пучок ионов, направленный под таким углом к поверхности мишени, при котором обеспечивается получение максимального коэффициента распыления материала. Источник позволяет наносить пленки металлов, диэлектриков, полупроводников, сплавов, а также сложных композиционных материалов, включая высокотемпературные сверхпроводники.
Для нанесения пленок на поверхности большой площади был разработан источник с радиально расходящимся пучком ионов “Холодок – 2”.
Источник “Холодок – 2” позволяет наносить пленки с неравномерностью – 5% на подложки диаметром – 200 мм.
Другой метод нанесения пленок состоит в осаждении материала непосредственно из пучка ионов и отличается от других методов возможностью управления энергией осаждаемых частиц и направленностью осаждения материала (под углом к поверхности). Рабочее вещество, например, углеводород подается в источник, ионизуется, образовавшиеся ионы ускоряются до требуемой энергии и осаждаются на подложке, образуя алмазоподобную пленку (АПП). Поскольку ионы ускоряются электрическим полем внутри источника, то их энергия может легко варьироваться в широких пределах от десятков эВ до нескольких тысяч эВ, тогда как в процессах распыления материалов энергия осаждаемых атомов является неизменной и составляет в среднем 5 – 15 эВ, а при испарении материала не превышает обычно 0.2 эВ.
Второй метод предложен сравнительно недавно и используется в основном для получения АПП. Достоинством этого метода является возможность управления энергией ионов в широких пределах, что позволяет изменять свойства и структуру осаждаемых углеродных пленок, а также возможность управления углом падения ионов, что существенно, например, при осаждении пленок на стенки глубоких канавок.
Из пучков ионов можно осаждать не только АПП, но также и окислы, нитриды и карбиды.

Некоторые результаты применения в машиностроении алмазоподобных пленок, полученных с помощью источника ионов Радикал М-200

Сверхскоростные турбины на воздушной подушке
Испытания проводились в НПО Криогенмаш (г. Балашиха) на образцах турбин со скоростью вращения 300000 об/мин.
С помощью ИИ Радикал М-200 осуществлялись технологические операции травления канавок специального профиля в торцевой части цилиндра и осаждения АПП на торцевую поверхность.
В результате испытаний установлено, что трение контактирующих поверхностей при запуске и остановке турбины существенно уменьшилось.

Цилиндры гидравлических пар (курсоров)
Испытания проводились фирмой Walvoil (Италия) на нескольких десятках курсоров, изготавливаемых для фирмы Дженерал Моторс.
В результате испытаний установлено, что ресурс курсоров увеличился более, чем в пять раз (100000 циклов работы вместо 20000 циклов для курсоров без АПП) при сохранении диаметра и шероховатости исходного образца, составляющей (0,11-0,13)мкм.

Штампы для пробивания отверстий в игольных ушках
Испытания проводились на Колюбакинском игольном заводе на прессах типа Бюндгенс, развивающих силу удара 7-10 тонн с частотой 200 ударов в минуту.
В результате испытаний установлено, что срок службы формовочных штампов увеличился в 2,5 раза, а соприкасающиеся поверхности при штамповке не залипают, в отличие от штампов, покрытых нитридом титана.

Резцы для скоростной обработки металла
Испытания проводились фирмой Ion Beam Europa (Италия). В результате испытаний установлено, что ресурс резцов увеличился в 23 раза.

Сверла для печатных плат
Испытания, проведенные в Германии, показали, что ресурс сверл увеличился более чем в 2 раза.

Лезвия безопасных бритв
В результате испытаний, проведенных на Игольно-платинном заводе имени КИМ, установлено снижение коэффициента трения по сравнению с нитридом хрома более чем в 1,5 раза.

ТРАВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ
Очистка, активация и полировка поверхностей, прецизионное селективное травление

НАНЕСЕНИЕ ПЛЕНОК
Осаждение пленок непосредственно из пучков ионов, распыление материала мишени

Достоинства ионно-лучевых технологий:

• направленность воздействия, обеспечивающая высокую прецизионность;
• возможность получения вертикальных ступенек при травлении через маску;
• отсутствие ухода размеров элементов;
• возможность формирования пучков ионов как инертных, так и химически активных газов;
• возможность управления энергией ионов в широких пределах;
• возможность управления зарядом на обрабатываемой поверхности независимо от параметров пучка ионов;
• точность и простота контроля процесса обработки путем измерения тока пучка ионов;
• высокая однородность и воспроизводимость обработки.

ИСТОЧНИКИ ИОНОВ ДЛЯ ОЧИСТКИ, АКТИВАЦИИ И ПОЛИРОВКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ, ПРЕЦИЗИОННОГО СЕЛЕКТИВНОГО ТРАВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ И ОСАЖДЕНИЯ ПЛЕНОК НЕПОСРЕДСТВЕННО ИЗ ПУЧКОВ ИОНОВ

Рабочие вещества: Инертные газы, хлорфторсодержащие газы, кремнийсодержащие соединения, углеводороды

Тип источника	«Радикал»	«Радикал М–200»
Диаметр пучка, мм	100	200
Плотность тока, мА /см2	5	2.5
Энергия ионов, эВ	200÷1000	100÷600
Зона неравномерности, (2÷5) %	Ø 80 мм	Ø 170 мм

Технологические возможности реактивного ионно–лучевого травления

Обрабатываемые материалы – диэлектрики (SiO₂, Si₃N₄, ФСС и др.), полупроводники(Si, GaAs и др.), металлы и сплавы (Cu, Au, Ti, W, AlCu, NiFe и др.)

   Разрешающая способность, мкм: < 0.15
   Точность переноса размеров элементов, мкм: < 0.05
   Скорости травления, нм/c:
      – двуокиси кремния: <= 3
      – металлов, полупроводников: <= 1.5
   Селективность травления:
      – SiO₂:Si: (15÷20):1
      – SiO₂:GaAs: (10÷12):1
   Глубина травления кварца, мкм: <= 100

Технологические возможности осаждения материалов непосредственно из пучков ионов

Осаждаемые материалы: алмазоподобные пленки, оксинитриды, карбиды и окислы кремния
Скорости осаждения, нм/c: ˜2.5
Толщина осаждаемых пленок, мкм: до 5

ИСТОЧНИКИ ИОНОВ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПЛЕНОК ИОННО-ЛУЧЕВЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ МАТЕРИАЛА МИШЕНИ

Рабочие вещества: Инертные газы, кислород, азот и другие

Тип источника	«Холодок – I»	«Холодок – II»
Вид пучка	Сходящийся	Расходящийся
Ток пучка, мА	100÷1000
Средняя энергия ионов, эВ	1000÷2500
Зона неравномерности, (2÷5) %	Ø 200 мм

Скорости травления материалов (нм/c) с помощью источников типа «Радикал»
(U_p = 1÷3 кВ, j_i = 1 мА /см²)

 

Рабочие вещества	Материалы
	SiO2	Si	Ge	InAs	Al
CF4	2.2	0.4	–	–	–
C3F8	2.7	0.25	–	–	–
C10F18	2.9	0.12	–	–	–
CF3Br	2.55	0.28	–	–	–
SF6	2.0	3.1	–	–	–
C2F4	1.2	0.66	1.0	1.5	–
C6F6	2.66	0	0.4	–	–
C7F8	2.34	0.25	0.42	2.5	–
Ar	0.46	0.54	0.5	1.2	–
CCl4	2.3	1.2	–	–	1.0
Cl2	1.0	2.1	–	–	1.5

Пленки, полученные распылением материалов с помощью источника типа “Холодок – I”
(U_P = 6 кВ, I_I = 0.1 A)

 

Материалы	Газ	Пленка	VH, нм/с
Si	Ar	Si	0.34
Si	O2	SiO2	0.7
Si	N2	Si3N4	0.45
Al	Ar	Al	1.7
Al	O2	Al2O3	0.47
Al	N2	AlN	0.34
Ti	Ar	Ti	0.7
NiFe	Ar	NiFe	0.7
NiCr	Ar	NiCr	0.6
графит	Ar	C	0.01
фторопласт	пары фторопласта	фторопласт	0.7
B	Ar	B	0.13
B	O2	B2O3	0.09
B	N2	BN	0.17

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИОННО-ЛУЧЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ИСТОЧНИКОВ ИОНОВ

Микро- и наноэлектроника – травление материалов в производстве СБИС и СВЧ-транзисторов.

Микроэлектромеханические системы – глубинное травление кремния.

Оптика – полировка поверхностей, травление элементов безаберрационной дифракционной оптики, дифракционных решеток и магнитооптических дисков.

Акустоэлектроника – травление материалов в производстве приборов, выполненных на поверхностных акустических волнах.

Лазерная техника – травление материалов для твердотельных лазеров.

Пьезокварцевая техника – настройка частоты кварцевых резонаторов, утонение кварцевых пластин.

Жесткие магнитные диски – очистка подложек и нанесение пленочных покрытий.

Машиностроение – нанесение коррозионностойких и фрикционностойких пленочных покрытий.

Медицина – нанесение защитных и упрочняющих пленочных покрытий.