авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В.Скобельцына

Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова

(НИИЯФ МГУ)

УТВЕРЖДАЮ

УДК 621.039.6;

533.93

Директор НИИЯФ МГУ

№ госрегистрации 01200964981

_ М.И.Панасюк

Инв. № 4/0235

«» _ 2011 г.

ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ по теме:

«Исследование неравновесных процессов в плазме многочастотных емкостных разрядов для разработки многофункциональных плазменных реакторов с прецизионным управлением для травления новых перспективных материалов наноэлектроники»

(заключительный) Шифр заявки 2009-1.1-124-054- Государственный контракт от 07 июля 2009 г. № 02.740.11. в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы». Мероприятие 1. Этап четвертый «Исследование режимов возбуждения ДЧ (емкостной и индукционно емкостной) плазмы для травления структур в алмазе для применения в электронно-вакуумных приборах и спектральных фильтрах в EUV нанолитографии»

Руководитель работ А.Т. Рахимов заведующий отделом микроэлектроники подпись, дата д.ф.м.н., профессор Ответственный исполнитель работ А.Т. Рахимов подпись, дата Москва СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ Руководитель работы, ответственный исполнитель работ, Рахимов А.Т.

заведующий отделом микроэлектроники, (разделы 1-8) д.ф.м.н. подпись, дата Исполнители темы ведущий научный сотрудник, Рахимова Т.В.

к.ф.м.н. (разделы 1-8) подпись, дата ведущий научный сотрудник, Ковалев А.С.

д.ф.м.н. (разделы 1-8) подпись, дата ведущий научный сотрудник, Попов Н.А.

д.ф.м.н. (раздел 8) подпись, дата старший научный сотрудник, Попов А.М.

д.ф.м.н. (раздел 8) подпись, дата ведущий научный сотрудник, Намиот В.А.

д.ф.м.н. (разделы 4) подпись, дата ведущий научный сотрудник, Паль А.Ф.

д.ф.м.н. (раздел 5) подпись, дата ведущий научный сотрудник, Клоповский К.С.

к.ф.м.н. (разделы 2-3) подпись, дата старший научный сотрудник, Палов А.П.

к.ф.м.н. (раздел 3) подпись, дата старший научный сотрудник, Васильева А.Н.

к.ф.м.н. (разделы 2,5,6,8) подпись, дата научный сотрудник Брагинский О.В (разделы 2,5,6,8).

подпись, дата старший научный сотрудник, Прошина О.В.

к.ф.м.н. (разделы 3,4) подпись, дата ведущий научный сотрудник, Манкелевич Ю.А.

к.ф.м.н. (разделы 3,4) подпись, дата ведущий научный сотрудник, Лопаев Д.В.

к.ф.м.н. (разделы 1,2,7,8) подпись, дата старший научный сотрудник, Олеванов М.А.

к.ф.м.н. (раздел 6) подпись, дата ведущий научный сотрудник, Суетин Н.В.

д.ф.м.н. (раздел 6) подпись, дата старший научный сотрудник, Дворкин В.В.

к.ф.м.н. (разделы 5) подпись, дата научный сотрудник, Аванесов А.В.

к.т.н. (раздел 5) подпись, дата младший научный сотрудник, Кривченко В.А.

к.ф.м.н. (раздел 7) подпись, дата младший научный сотрудник Сень В.В.

(раздел 5) подпись, дата младший научный сотрудник Евлашин С.А.

(раздел 2) подпись, дата научный сотрудник, Шевнин П.Л.

к.ф.м.н. (разделы 3,6) подпись, дата научный сотрудник Волошин Д.Г.

(разделы 3,6) подпись, дата младший научный сотрудник, Зырянов С.М.

к.ф.м.н. (разделы 1, 2,7,8) подпись, дата младший научный сотрудник, Малыхин Е.М.

к.ф.м.н. (разделы 7,8) подпись, дата программист 1-й категории Чукаловский А.А.

(раздел 6) подпись, дата программист 1-й категории Шкуренков И.А.

(раздел 3) подпись, дата младший научный сотрудник (аспирант) Белоусов М.Э.

(раздел 5) подпись, дата инженер (аспирант) Степанов А.С.

(разделы 1,3) подпись, дата лаборант (аспирант) Буренков И.А.

(раздел 1) подпись, дата лаборант (аспирант) Курчиков К.А.

(раздел 2) подпись, дата лаборант (аспирант) Харин В.Ю.

(раздел 2) подпись, дата младший научный сотрудник (аспирант) Гуляев А.В.

(раздел 5) подпись, дата лаборант (студент) Волынец А.В.

(раздел 2) подпись, дата лаборант (студент) Богданова М.А.

(раздел 5) подпись, дата лаборант (студент) Шарапова П.Р.

(раздел 5) подпись, дата лаборант (студент) Малис В.О.

(раздел 5) подпись, дата лаборант (студент) Зотович А.И.

(раздел 2) подпись, дата лаборант (студент) Миронович К.В.

(раздел 6) подпись, дата лаборант (студент) Воронин П.В.

(раздел 7) подпись, дата нормоконтролер Михайлова Л.А.

подпись, дата РЕФЕРАТ Отчет 97 с., 6 ч., 35 рис., 6 табл., 4 источника.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА – НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА, ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ РАЗРЯДЫ, СПЕКТРОСКОПИЯ, ЗОНДОВАЯ МЕТОДИКА, ПЛАЗМОХИМИЯ, МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЭФФЕКТЫ В ПРИЭЛЕКТРОДНЫХ СЛОЯХ, ФУНКЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ПО ЭНЕРГИЯМ, МЕХАНИЗМЫ НАГРЕВА ЭЛЕКТРОНОВ, АНИЗОТРОПНОЕ ТРАВЛЕНИЕ, ФУНКЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ПО ЭНЕРГИЯМ, НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ С НИЗКОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ Хорошо известно, что алмаз является уникальным материалом благодаря его уникальным свойствам, прежде всего прочности, физической и химической стойкости, а также высокой теплопроводности и очень малому КТР. Легированный алмаз является очень перспективным материалом для новой углеродной электроники.

Тонкие микронные алмазные пленки (моно- и поли-кристаллические) обладают все свойствами объемного алмаза, но при этом открывают перспективы создания таких изделий в области микроэлектронной технологии, которые требуют от материала уникальных свойств подобных тех, что обладает алмаз. Так, например, сегодня вакуумная электроника переживает второе рождение благодаря разработке новых сверхминиатюрных вакуумных приборов и целых схем и систем на их основе. Это расширяет границы параметров вакуумных приборов вакуумной электроники и соответственно области их применения в медицине, радиотехники, приборостроении и т.д.

Так создание миниатюрных многокатодных рентгеновских трубок, использующих миниатюрные полевые эммитеры на основе углеродных нанотрубок и алмазных микронных сетках, приведет к созданию фактически абсолютно нового класса рентгеновской техники, начиная от малых переносных 3D рентгеновских томографов для медицины до малых переносных дистанционных рентгеновских анализаторов вещества для систем безопасности и разных производств. При этом точность и быстрота анализа могут быть значительно выше, чем у современных систем при значительно меньших затратах.

Другой важный пример использования структурированных алмазных пленок определяется тем, что это практически единственный материал, на основе которого могут быть созданы очень тонкие и высоко прозрачные (прозрачность 80 %) сетки для использования в литографии нового поколении, в EUV 13.5 нм литографии, которая будет основной в новой технологии СБИС с характерным размером элементом 22 нм. Согласно международной программе развития микроэлектроники ITRS внедрение такой литографии намечено на 2012-2015 годы. Одним из важных элементов EUV литографии, является очень мощные источники излучения на 13.5 нм на основе лазерной оловянной плазмы нагреваемой импульсным СO 2 лазером (=10 мкм). При этом средняя мощность лазерного излучения достигает десятки кВт. Попадание даже очень малой доли в апертуру высокоотражающей многослойной EUV оптики полностью блокирует работу EUV литографа. Создание и использование проводящих сеток с ячейкой менее /2, т.е. 5 мкм, обладающих одновременно требуемой высокой прозрачностью 80%, для фильтрации мощного ИК излучения CO лазера, является необходимым элементом промышленного EUV литографа. Однако плотность мощности ИК излучения на сетки такова, что алмаз фактически один из тех материалов, что способен выдержать ее без серьезного искажения пространственной структуры сетки. Таким образом, разработка подобной технологии создания алмазных сеток является крайне важной для промышленной технологии EUV литографии.

Кроме этого, отработка процесса высокоанизотропного травления микронных и субмикронных структур в легированном алмазе является также очень важной и необходимой, если всерьез думать о перспективах углеродной и алмазной электроники.

Поэтому столь много внимания было уделено исследованию режимов возбуждения ДЧ (емкостной и индукционно-емкостной) плазмы для анизотропного травления структур в алмазных пленках для применения в электронно-вакуумных приборах и спектральных фильтрах в EUV нанолитографии.

На 4-ом этапе НИР в соответствии с календарным планом выполнялись следующие работы:

• Исследование плазмы двухчастотных ВЧ разрядов с целью разработки новых методов высокоанизотропного травления алмазных пленок в кислородсодержащей плазме • Исследование функции распределения электронов по энергии в разных режимах разряда • Исследование зависимости параметров плазмы (концентрации и температуры электронов, плазменного потенциала и т.д.) от условий разряда (давления, мощности и напряжения на каждой из частот и т.д.) в разных газах: аргоне, гелии, водороде и кислороде.

• Исследование плотности атомарного кислорода в зависимости от режима ДЧ ВЧЕ разряда и определены потоки атомов на поверхность электродов и соответственно на обрабатываемую в плазме поверхность • Проведены исследования энергетического спектра ионов, падающих на поверхность электрода и образцов, в зависимости от параметров плазмы и разряда • Разработка модели ДЧ ВЧЕ разряда в гелии и кислороде на основе численного моделирования с использованием самосогласованной кинетической 1D модели и метода «Частиц в ячейке» с Монте-Карло столкновениями (МЧЯ МКС).

• Модельные исследования структуры ДЧ ВЧЕ разряда, включая объемную плазмохимию и поверхностные процессы, в зависимости от его режима с целью разработки оптимального подхода к реализации анизотпропного травления алмазных структур в эксперименте • Разработка метода нанесения твердотельных SiO, SiO 2 масок на поверхности алмазных пленок • Создание тестовых твердотельных масок на поверхности алмазных пленок для тестирования и отработки процесса анизотропного травления алмаза в плазме двухчастотного вч разряда • Тестирование процесса травления образцов алмазных пленок с нанесенными SiO и SiO масками в ДЧ реакторе • Исследование скорости, анизотропии травления в зависимости от разрядных условий Отработка оптимальных режимов ДЧ ВЧЕ и ДЧ ВЧИ разрядов для высокоанизотропного • и селективного травления алмазных пленок через маску SiO • Реализация технологии создания структур в алмазных пленках методом высокоанизотропного травления в ДЧ разряде • Создание алмазных микронных сеток В результате проведенных исследований на четвертом этапе проекта получены следующие основные результаты:

• Исследованы режимы работы двухчастотного вч реактора с помощью зондового метода и анализатора энергии ионов в разных газах - аргоне, гелии, кислороде и водороде.

Измерены функции распределения электронов по энергии. Получены параметры плазмы:

плотность электронов, температура электронов, плазменный потенциал в широком диапазоне условий.

• Методом актинометрии измерены концентрации атомов кислорода на исследуемые образцы.

• Измерены потоки ионов и энергетические спектры ионов падающих на электрод и соответственно обрабатываемые образцы. Продемонстрированы возможности управления энергией и потоками частиц на образцы с помощью вариации режима работы ДЧ ВЧЕ реактора.

• Проведена оптимизация реактивно ионного травления алмазных пленок в ДЧ ВЧЕ разряде в кислороде с помощью травления тестового тренча диаметром 400 мкм и исследования профилей травления методом сканирующей электронной микроскопии (SEM) во вторичных электронах. Оптимизация осуществлялась по энергии и потоку ионов, а также потоку атомов кислорода, так же как скорости и анизотропии травления.

• Показано, что спектр ионов, падающих на поверхность алмазной пленки, имеет решающее значение для реализации механизма реактивно ионного травления. При этом ионы высоких энергий в сотни эВ обеспечивают высокие скорость и анизотропию травления. Для анизотропного травления алмазных пленок необходимо использовать режимы работы двухчастотного вч разряда при низком давлении.

• Исследованы особенности структуры двухчастотного ВЧЕ (ДЧ ВЧЕ) разряда в гелии и кислороде на основе численного моделирования с использованием самосогласованной кинетической 1-мерной по пространству и 3-мерной по скоростям модели на основе метода «Частиц в ячейке» с Монте-Карло столкновениями (МЧЯ МКС).

• Получены распределения электронов и ионов по энергии, которые хорошо соответствуют экспериментальным данным. Получены пространственные распределения и потоки на электрод заряженных и активных нейтральных частиц – атомов и возбужденных метастабильных атомов и молекул. Детально рассмотрены особенности формирования в ОЧ и ДЧ ВЧЕ разрядах энергетического спектра ионов O 2 + и O+ и потоков заряженных и нейтральных частиц на электрод (и соответственно на поверхность обрабатываемых образцов).

• Показано, что переход с частоты вч смещения 1.76 МГц в ДЧ ВЧИ на более высокую 13.56 МГц частоту обеспечивает пикированное оптимальное распределение энергии ионов вблизи порога реактивно-ионного травления алмаза.

• Отработана технология создания твердотельных масок SiO 2, SiO, Si 3 N 4 для процесса травления моно- и поликристаллических алмазных пленок. Изучены разные методы нанесения SiO 2, SiO, Si 3 N 4 твердых масок такие как, методы магнетронного распыления, PECVD осаждения и электронно-лучевого и термического распыления. Показано, что для обеспечения хорошей адгезии масок из данных материалов (толщиной более 1 мкм) к поверхности алмазных пленок необходимо создание специального адгезионного подслоя.

• Отработана технология создания адгезионного подслоя карбида кремния SiC с предварительным высокотемпературным вакуумным отжигом. Отработана технология формирования жесткой твердой маски определенного рисунка методом сухого плазмохимического травления во фторуглеродной плазме через полученную маску из Cr.

• Созданы тестовые структуры на поверхности алмазной пленки на основе жестких масок из SiO 2, SiO, Si 3 N 4 с высокими адгезионными свойствами.

• Проведено плазмохимическое травление тестовых структур в поликристаллических алмазных пленках на основе разработанной технологии твердых масок и реактивно ионного травдения в ДЧ ВЧЕ разряде. Показано, что данная технология дает возможнотсть создавать структуры в поликристаллическом алмазе с достаточно высокой степенью анизотротропии и селективностью, достаточными для микронной технологии.

Получены тестовые микронные сетки из пленок поликристаллического алмаза.

• Изучено высокоанизотропное травление алмазных пленок в чистом О 2 и смеси SF 6 /O 2 в ДЧ ВЧИ разряде. Показано, что плазмохимическое травление алмаза в О сопровождается образованием наноразмерных оксидных структур на стравливаемой поверхности. Использование смеси SF 6 /O 2 дает возможность избежать образования диэлектрических оксидных структур и обеспечивает однородное травление всей пленки, что дает высокую анизотропию травления 15-20. Это является достижением для процесса травления алмаза.

• Определены оптимального режимы и условия использования двухчастотных вч разрядов для процесса высокоанизотропного селективного травления алмаза.

• С использованием ДЧ ВЧИ разряда в оптимизированных условиях созданы тестовые структуры (сетки) из поликристаллической алмазной сетки с высокой субмикронной точностью воспроизведения литографической маски.

По результатам экспериментальных и теоретических исследований проведенных за отчетный период опубликованы следующие статьи в высокорейтинговых журналах:

1. Е.М. Малыхин, В.А. Кривченко, Д.В. Лопаев, Т.В. Рахимова, С.М. Зырянов. «Структура тонких пленок, осажденных под EUV-излучением 13.5 нм » Вестник МГУ. Серия 3.

Физика. Астрономия. 2011, №1, стр.53- 2. Е.М. Малыхин, Д.В. Лопаев, А.Т. Рахимов, Т.В. Рахимова, О.В. Брагинский, А.С.

Ковалев, А.Н. Васильева, С.М. Зырянов. «Плазменная очистка аморфного углерода с поверхности многослойных зеркал в EUV литографии » Вестник МГУ. Серия 3. Физика.

Астрономия. 2011, №2, стр.184- 3. С.М. Зырянов, А.С. Ковалев, Д.В. Лопаев, Е.М. Малыхин, А.Т. Рахимов, Т.В. Рахимова, К.Н. Кошелев, В.М. Кривцун. «Гибель атомов водорода в Н 2 плазме на поверхности материалов, представляющих интерес в литографии экстремального ультрафиолета»

Физика плазмы, 2011, № 4. D.V. Lopaev, E.M. Malykhin and S.M. Zyryanov. Surface recombination of oxygen atoms in O 2 plasma at increased pressure: I. The recombination probability and phenomenological model of surface processes // J. Phys. D: Appl. Phys. 44 (2011) 5. D.V. Lopaev, E.M. Malykhin and S.M. Zyryanov. Surface recombination of oxygen atoms in O 2 plasma at increased pressure: II. Vibrational temperature and surface production of ozone // J. Phys. D: Appl. Phys. 44 (2011) 6. O. V. Braginsky, A. S. Kovalev, D. V. Lopaev, E.M. Malykhin, Yu..A. Mankelevich, O.V.

Proshina, T. V. Rakhimova, A. T. Rakhimov, D.G. Voloshin, A. N. Vasilieva, S. M. Zyryanov, E.A. Smirnov and M. R.Baklanov. “The effect of He plasma treatment on properties of organosilicate glass low-k films ” JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 109, 043303 (2011) Все проведенные исследования находятся на уровне мировых достижений.

Большинство результатов имеет приоритетный характер. По результатам экспериментальных и теоретических исследований опубликована работа в ведущем международном журнале, которая была оценена как центральная публикация и попала в список наиболее читаемых работ:

Research Highlights “The effect of He plasma treatment on properties of organosilicate glass low-k films ” O. V. Braginsky, A. S. Kovalev, D. V. Lopaev, E.M. Malykhin, Yu..A. Mankelevich, O.V.

Proshina, T. V. Rakhimova, A. T. Rakhimov, D.G. Voloshin, A. N. Vasilieva, S. M. Zyryanov, E.A. Smirnov and M. R.Baklanov. J. Appl. Phys. 109, 043303 (2011) К выполнению работ привлечены студенты физического факультета МГУ, аспиранты физического факультета МГУ, а также молодые специалисты – сотрудники НИИЯФ МГУ.

Результаты НИР внедряются в образовательный процесс, в том числе они будут включены в программу спецкурсов, читаемых в рамках НОЦ "Плазма в микро и нанотехнологии" и ведущей научной школы НШ-3322.2010.2, использоваться при выполнении преддипломных и дипломных работ и, в дальнейшем, подготовки диссертаций на соискание научной степени кандидата физико-математических наук.

Таким образом, можно ожидать, что полученные результаты представляют большой практический интерес и создает существенный технологический задел для разработки перспективных реакторов высокоанизотропного травления для введения новых материалов в наноэлектронику.

Полученные результаты соответствуют требованиям ТЗ и КП.

СОДЕРЖАНИЕ Введение Основная часть Разработка новых методов высокоанизотропного травления моно- и 1 поликристаллических алмазных пленок в кислородсодержащей (смесь Не и О 2 ) плазме ДЧ разрядов:

- разработка методов нанесения твердотельных масок - тестирование образцов с масками в ДЧ реакторе - исследование зависимости параметров плазмы в смеси Не:О 2 от давления газа, парциального состава смеси и мощности на каждой из частот - определение оптимальных режимов для высокоанизотропного травления алмазных пленок Создание многомасштабной (multi-scale) модели, включающей 2 объемную плазмохимию и поверхностные процессы на поверхности обрабатываемых подложек, позволяющей управлять процессом травления алмазных структур в ДЧ плазме в смеси Не, О Проведение технико-экономической оценки рыночного потенциала 3 всех полученных в проекте результатов Проведение патентных исследований по ГОСТ Р 15.011- 4 Разработка программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс Определение оптимальных режимов возбуждения ДЧ (емкостной, индукционно-емкостной) плазмы для травления структур в алмазе и для модификации поверхности кремния Заключение Список использованных источников ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение А. Отчет по патентным исследованиям ВВЕДЕНИЕ «Исследование режимов возбуждения ДЧ (емкостной и индукционно-емкостной) плазмы для травления структур в алмазе для применения в электронно-вакуумных приборах и спектральных фильтрах в EUV нанолитографии»

уникальным свойствам, прежде всего прочности, физической и химической стойкости, а также высокой теплопроводности и очень малому КТР. Легированный алмаз является очень перспективным материалом для новой углеродной электроники.

Тонкие микронные алмазные пленки (моно- и поли-кристаллические) обладают все свойствами объемного алмаза, но при этом открывают перспективы создания таких изделий в области микроэлектронной технологии, которые требуют от материала уникальных свойств подобных тех, что обладает алмаз. Так, например, сегодня вакуумная электроника переживает второе рождение благодаря разработке новых сверхминиатюрных вакуумных приборов и целых схем и систем на их основе. Это расширяет границы параметров вакуумных приборов вакуумной электроники и соответственно области их применения в медицине, радиотехники, приборостроении и т.д.

Так создание миниатюрных многокатодных рентгеновских трубок, использующих миниатюрные полевые эммитеры на основе углеродных нанотрубок и алмазных микронных сетках, приведет к созданию фактически абсолютно нового класса рентгеновской техники, начиная от малых переносных 3D рентгеновских томографов для медицины до малых переносных дистанционных рентгеновских анализаторов вещества для систем безопасности и разных производств. При этом точность и быстрота анализа могут быть значительно выше, чем у современных систем при значительно меньших затратах.

Другой важный пример использования структурированных алмазных пленок определяется тем, что это практически единственный материал, на основе которого могут быть созданы очень тонкие и высоко прозрачные (прозрачность 80 %) сетки для использования в литографии нового поколении, в EUV 13.5 нм литографии, которая будет основной в новой технологии СБИС с характерным размером элементом 22 нм. Согласно международной программе развития микроэлектроники ITRS внедрение такой литографии намечено на 2012-2015 годы. Одним из важных элементов EUV литографии, является очень мощные источники излучения на 13.5 нм на основе лазерной плазмы в парах олова, нагреваемой импульсным СO 2 лазером (=10 мкм). При этом средняя мощность лазерного излучения достигает десятки кВт. Попадание даже очень малой доли излучения лазера в апертуру высокоотражающей многослойной EUV оптики полностью блокирует работу EUV литографа. Создание и использование проводящих сеток с ячейкой менее /2, т.е. 5 мкм, обладающих одновременно требуемой высокой прозрачностью 80%, для фильтрации мощного ИК излучения CO 2 лазера, является необходимым элементом промышленного EUV литографа. Однако плотность мощности ИК излучения на сетки такова, что алмаз фактически один из тех материалов, что способен выдержать ее без серьезного искажения пространственной структуры сетки. Таким образом, разработка подобной технологии создания алмазных сеток является крайне важной для промышленной технологии EUV литографии.

Кроме этого, отработка процесса высокоанизотропного травления микронных и субмикронных структур в легированном алмазе является также очень важной и необходимой, если всерьез думать о перспективах углеродной и алмазной электроники.

Поэтому столь много внимания было уделено исследованию режимов возбуждения ДЧ (емкостной и индукционно-емкостной) плазмы для анизотропного травления структур в алмазных пленках для применения в электронно-вакуумных приборах и спектральных фильтрах в EUV нанолитографии.

В соответствии с календарным планом на 4-ом этапе проекта были проведены следующие основные работы:

Исследование плазмы двухчастотных ВЧ разрядов с целью разработки новых методов • высокоанизотропного травления алмазных пленок в кислородсодержащей плазме Исследование функции распределения электронов по энергии в разных режимах • разряда Исследование зависимости параметров плазмы (концентрации и температуры • электронов, плазменного потенциала и т.д.) от условий разряда (давления, мощности и напряжения на каждой из частот и т.д.) в разных газах: аргоне, гелии, водороде и кислороде.

Исследование плотности атомарного кислорода в зависимости от режима ДЧ ВЧЕ • разряда и определены потоки атомов на поверхность электродов и соответственно на обрабатываемую в плазме поверхность Проведены исследования энергетического спектра ионов, падающих на поверхность • электрода и образцов, в зависимости от параметров плазмы и разряда Разработка модели ДЧ ВЧЕ разряда в гелии и кислороде на основе численного • моделирования с использованием самосогласованной кинетической 1-мерной по пространству и 3-мерной по скоростям модели на основе метода «Частиц в ячейке» с Монте-Карло столкновениями (МЧЯ МКС).

Модельные исследования структуры ДЧ ВЧЕ разряда, включая объемную • плазмохимию и поверхностные процессы, в зависимости от его режима с целью разработки оптимального подхода к реализации анизотпропного травления алмазных структур в эксперименте Разработка метода нанесения твердотельных SiO, SiO 2 масок на поверхности • алмазных пленок Создание тестовых твердотельных масок на поверхности алмазных пленок для • тестирования и отработки процесса анизотропного травления алмаза в плазме двухчастотного вч разряда Тестирование образцов алмазных пленок с нанесенными SiO и SiO 2 масками в ДЧ • реакторе Исследование скорости, анизотропии травления в зависимости от разрядных условий • Отработка оптимальных режимов ДЧ ВЧЕ и ДЧ ВЧИ разрядов для • высокоанизотропного и селективного травления алмазных пленок через маску SiO Реализация технологии создания структур в алмазных пленках методом • высокоанизотропного травления в ДЧ разряде Создание алмазных микронных сеток • В результате проведенных исследований на 4-ом этапе проекта получены следующие основные результаты:

Исследованы режимы работы двухчастотного вч реактора с помощью зондового • метода и анализатора энергии ионов в разных газах - аргоне, гелии, кислороде и водороде. Измерены функции распределения электронов по энергии. Получены параметры плазмы: плотность электронов, температура электронов, плазменный потенциал в широком диапазоне условий.

Методом актинометрии измерены концентрации атомов кислорода на исследуемые • образцы.

Измерены потоки ионов и энергетические спектры ионов падающих на электрод и • соответственно обрабатываемые образцы. Продемонстрированы возможности управления энергией и потоками частиц на образцы с помощью вариации режима работы ДЧ ВЧЕ реактора.

Проведена оптимизация реактивно ионного травления алмазных пленок в ДЧ ВЧЕ • разряде в кислороде с помощью травления тестового тренча диаметром 400 мкм и исследования профилей травления методом сканирующей электронной микроскопии (SEM) во вторичных электронах. Оптимизация осуществлялась по энергии и потоку ионов, а также потоку атомов кислорода, так же как скорости и анизотропии травления.

Показано, что спектр ионов, падающих на поверхность алмазной пленки, имеет • решающее значение для реализации механизма реактивно ионного травления. При этом ионы высоких энергий в сотни эВ обеспечивают высокие скорость и анизотропию травления. Для анизотропного травления алмазных пленок необходимо использовать режимы работы двухчастотного вч разряда при низком давлении.

Исследованы особенности структуры двухчастотного ВЧЕ (ДЧ ВЧЕ) разряда в гелии • и кислороде на основе численного моделирования с использованием самосогласованной кинетической 1D модели на основе метода «Частиц в ячейке» с Монте-Карло столкновениями (МЧЯ МКС).

Получены распределения электронов и ионов по энергии, которые хорошо • соответствуют экспериментальным данным. Получены пространственные распределения и потоки на электрод заряженных и активных нейтральных частиц – атомов и возбужденных метастабильных атомов и молекул. Детально рассмотрены особенности формирования в ОЧ и ДЧ ВЧЕ разрядах энергетического спектра ионов O 2 + и O+ и потоков заряженных и нейтральных частиц на электрод (и соответственно на поверхность обрабатываемых образцов).

Показано, что переход с частоты вч смещения 1.76 МГц в ДЧ ВЧИ разряде на более • высокую 13.56 МГц частоту обеспечивает пикированное оптимальное распределение энергии ионов вблизи порога реактивно-ионного травления алмаза.

Отработана технология создания твердотельных масок SiO 2, SiO, Si 3 N 4 для процесса • травления моно- и поликристаллических алмазных пленок. Изучены разные методы нанесения SiO 2, SiO, Si 3 N 4 твердых масок такие как, методы магнетронного распыления, PECVD осаждения и электронно-лучевого и термического распыления.

Показано, что для обеспечения хорошей адгезии масок из данных материалов (толщиной более 1 мкм) к поверхности алмазных пленок необходимо создание специального адгезионного подслоя.

Отработана технология создания адгезионного подслоя карбида кремния SiC с • предварительным высокотемпературным вакуумным отжигом. Отработана технология формирования жесткой твердой маски определенного рисунка методом сухого плазмохимического травления во фторуглеродной плазме через полученную маску из Cr.

Созданы тестовые структуры на поверхности алмазной пленки на основе жестких • масок из SiO 2, SiO, Si 3 N 4 с высокими адгезионными свойствами.

Проведено плазмохимическое травление тестовых структур в поликристаллических • алмазных пленках на основе разработанной технологии твердых масок и реактивно ионного травдения в ДЧ ВЧЕ разряде. Показано, что данная технология дает возможнотсть создавать структуры в поликристаллическом алмазе с достаточно высокой степенью анизотротропии и селективностью, достаточными для микронной технологии. Получены тестовые микронные сетки из пленок поликристаллического алмаза.

Изучено высокоанизотропное травление алмазных пленок в чистом О 2 и смеси SF 6 /O • в ДЧ ВЧИ разряде. Показано, что плазмохимическое травление алмаза в О сопровождается образованием наноразмерных оксидных структур на стравливаемой поверхности. Использование смеси SF 6 /O 2 дает возможность избежать образования диэлектрических оксидных структур и обеспечивает однородное травление всей пленки, что дает высокую анизотропию травления 15-20. Это является достижением для процесса травления алмаза.

Определены оптимального режимы и условия использования двухчастотных вч • разрядов для процесса высокоанизотропного селективного травления алмаза.

С использованием ДЧ ВЧИ разряда в оптимизированных условиях созданы тестовые • структуры (сетки) из поликристаллической алмазной сетки с высокой субмикронной точностью воспроизведения литографической маски.

Все проведенные в проекте исследования находятся на уровне мировых достижений.

Большинство результатов имеет приоритетный характер. По результатам экспериментальных и теоретических исследований опубликованы работы в высокорейтинговых журналах.

Основанием для проведения НИР, выполняемой в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009- годы научно-исследовательские работы (далее – работы), мероприятие 1.1, является Государственный контракт с Министерством образования и науки от 07 июля 2009 г.

№ 02.740.11. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 1. Разработка новых методов высокоанизотропного травления моно- и поликристаллических алмазных пленок в кислородсодержащей (смесь Не и О 2 ) плазме ДЧ разрядов:

- разработка методов нанесения твердотельных масок - тестирование образцов с масками в ДЧ реакторе - исследование зависимости параметров плазмы в смеси Не:О 2 от давления газа, парциального состава смеси и мощности на каждой из частот - определение оптимальных режимов для высокоанизотропного травления алмазных пленок Хорошо известно, что кислородная и кислородсодержащая плазма наиболее активно взаимодействует с углеродом, вызывая удаление (травление) углерода с образованием летучих пр о укто, таких как СО и СО 2. И алмаз не является исключением. Как дв кристаллические, так и поликристаллические алмазные пленки травятся в кислородной плазме с наибольшими скоростями по сравнению с плазмой других газов. Однако для создания структур на основе данных пленок требуется обеспечить вполне определенные параметры процесса травления, прежде всего высокую анизотропию травления, т.е.

травление в направлении, задаваемым маской без какого-либо заметного потрава под нее.

Это важное и необходимое условие передачи рисунка маски в пленку. Второе не менее важное условие – это высокая селективность травления, т.е. маска практически не должна деградировать в процессе травления структуры. При травлении даже поликристаллических алмазных пленок этих условий трудно достичь напрямую, так как алмаз - материал очень прочный и стойкий по отношению к различным воздействиям, даже таким экстремальным как плазма. Реактивное ионное травление позволяет решить отчасти эту задачу. При его осуществлении энергичные ионы оптимальных энергий падающий на пленку из плазмы стимулируют травление радикалами и атомами (в данном случае атомами кислорода), увеличивая скорость травления в десятки и даже сотни раз. Кроме того, ионы стимулируют травление в основном в направлении своего движения, что собственно и обеспечивает высокую анизотропию травления в данном процессе. Очевидно, что наиболее эффективно процесс травления можно обеспечить, если управлять энергией ионов и их потоком, как и потоком атомов раздельно. Именно это и позволяют сделать плазмохимические реакторы нового поколения на основе двухчастотных вч разрядов.

Поэтому для отработки методов анизотропного травления поликристаллических алмазных пленок использовались разработанные авторами двухчастотные вч плазмохимические реакторы с емкостным и индукционным возбуждением плазмы, так называемые dual-frequency capacitively and inductively coupled plasma (DFCCP и DFICP).

Фотографии экспериментальных стендов на основе DFCCP и DFICP представлены на рисунке 1.1а и 1.1б соответственно. Индуктор и свечение плазмы хорошо видны на рисунке 1.1б, на переднем плане масс-спектрометр с анализом энергии ионов, пристыкованный к одному из портов DFICP реактора).

(а) (б) Рисунок 1.1 Фотографии использованных в работе двухчастотных плазмохимических реакторов: (а) DFCCP – двухчастотный реактор с емкостным возбуждением плазмы, (б) DFICP - двухчастотный реактор с индукционным возбуждением плазмы.

Исследование зависимости параметров плазмы в смеси Не:О 2 от давления газа, парциального состава смеси и мощности на каждой из частот Для оптимизации и отработки процесса анизотропного травления поликристаллических алмазных пленок, необходимо, конечно же, знать и уметь управлять параметрами плазмы. Поэтому для того, чтобы целенаправленно и с должным пониманием осуществлять эксперименты по отработке метода анизотропного травления алмаза, были детально изучены параметры плазмы в зависимости от вариации внешних условий и управляющих макропараметров.

Прежде всего, исследовалась функция распределения электронов по энергии (ФРЭЭ) и плотность плазмы (n e ) в зависимости от условий (рода газа, давления, мощности и напряжения на каждой из частот). Для измерения ФРЭЭ использовался зондовый метод.

Однако сложность применения зондов в вч плазме обусловлена тем, что зонд Легмюра обычной конструкции не применим, так как существенным образом искажает результаты измерений. Для измерений в вч плазме требуется специальная конструкция зонда, так называемый вч компенсированный зонд. В основе конструкции вч компенсированного зонда лежит идея использования дополнительного электрода зонда для «привязывания» зонда к вч потенциалу плазмы, вместе с тем используя достаточно непростую систему вч фильтрации подавать на зонд постоянное смещение относительного вч потенциалаи при этом измерять постоянный же ток на зонд, как в обычном зонде Ленгмюра. При использовании одночастотной вч плазмы удается довольно хорошо осуществить вч компенсацию зонда за счет использования резонансных фильтров. Однако в двухчастотной плазме это сделать гораздо труднее в силу того, что ширины резонансов для используемых вч частот меньше разницы в этих частотах. Тем не менее, при определенном усложнении конструкции зонда удается добиться сделать зонд вч компенсированный в достаточно широком диапазоне частот. Именно такая конструкция зонда была разработана и применена для измерений ФРЭЭ и плотности плазмы. Фотография использованного вч компенсированного зонда представлена на рисунке 1.2. Размер самого зонда был 0.3 мм в диаметре и около 4 мм длиной. Медные кольца на стеклянном держателе зонда, видимые на фото – это два электрода вч компенсации. Внутри трубки – цепь резонансных фильтров.

Рисунок 1.2. Фотография использованного вч компенсированного зонда. Зонд - 0.3 мм в диаметре и ~4 мм длиной. Медные кольца на стеклянном держателе зонда – два электрода вч компенсации.

Для обеспечения зондовых измерений была собрана система управления и измерения ВАХ зонда на основе разработанного электронного блока и платы сбора и обработки данных NI DAQ 6259. Программа управления была написана на Labview, окно программы видно на экране компьютера на рисунке 1.1.1а. С помощью данной зондовой системы проведены измерения параметров плазмы в центре DFCCP разряда. Для полноты картины измерения проводились в разных газах и разных условиях. Типичные зондовые ВАХ при давлении мТор в водороде, кислороде, аргоне и гелии показаны на рисунке 1.3а, 1.3б, 1.3в, 1.3г соответственно. Режимы DFCCP разряда, в которых получены ВАХ, показаны в рамке на рисунках. Из сравнения рисунков следует, что в тяжелых газах Ar и O 2, плазменный потенциал, а также плотность плазмы, а значит и поток ионов полностью определяет вч мощность на высокой частоте 81 МГц. При этом низкая частота 1.76МГц будет определят энергию ионов падающих на электрод. Однако в легких газах Н 2 и Не нет столь четкого разделения влияния частот. Видно, что плазменный потенциал и плотность плазмы уже частично зависят и от напряжения на низкой частоте.

100W 81MHz, 0V 1.76MHz 50W 81MHz, 0V 1.76MHz 14 100W 81MHz, 200V 1.76MHz 50W 81MHz, 200V 1.76MHz 100W 81MHz, 400V 1.76MHz 50W 81MHz, 400V 1.76MHz 12 50W 81MHz, 0V 1.76MHz 100W 81MHz, 0V 1.76MHz 50W 81MHz, 200V 1.76MHz 100W 81MHz, 200V 1.76MHz Iprobe, mA 10 50W 81MHz, 400V 1.76MHz 100W 81MHz, 400V 1.76MHz Iprobe, mA 6 H2 O - - -60 -40 -20 0 20 40 -60 -40 -20 0 20 40 Uprobe, V Uprobe, V (а) ВАХ зонда в водороде 100 мТор. (б) ВАХ зонда в кислороде 100 мТор 50W 81MHz, 0V 1.76MHz 50W 81MHz, 0V 1.76MHz 50W 81MHz, 200V 1.76MHz 25 50W 81MHz, 200V 1.76MHz 50W 81MHz, 400V 1.76MHz 50W 81MHz, 400V 1.76MHz 100W 81MHz, 0V 1.76MHz 100W 81MHz, 0V 1.76MHz 100W 81MHz, 200V 1.76MHz 20 14 100W 81MHz, 200V 1.76MHz Iprobe, mA 100W 81MHz, 400V 1.76MHz Iprobe, mA 100W 81MHz, 400V 1.76MHz 15 Ar He 0 - -60 -40 -20 0 20 40 60 -60 -40 -20 0 20 40 Uprobe, V Uprobe, V (в) ВАХ зонда в аргоне 100 мТор. (г) ВАХ зонда в гелии 100 мТор.

Рисунок 1.3. Зондовые ВАХ в DFCCP разряде при давлении 100 мТор.

Для трех давлений 20, 100 и 500 мТор на рисунках 1.4а и 1.4б соответственно представлены типичные ФРЭЭ для Н 2 и О 2, полученные на основе зондовых ВАХ.

Аналогично на рисунке 1.5а и 1.5б показаны ФРЭЭ для благородных газов, Ar и Не соответственно. Как и следовало ожидать, при низком давлении хорошо наблюдается высокоэнергичный хвост ФРЭЭ, который быстро исчезает с ростом давления. ФРЭЭ близка к Масвелловской в изученных условиях, особенно это касается Не. Так что можно говорить о температуре электронов. Таким образом, температура электронов падает с ростом давления.

Следует также отметить, что и вид ФРЭЭ все-таки меняется с ростом давления. В тяжелом Ar и молекулярных газах Н 2 и О 2 она приобретает все больше Дрювестейновский вид, и также появляюься особенности связанные с сильными резонансами в сечении рассеяния электронов, такими как возбуждение колебательных и низко лежащих электронных состояний. С понижением давления наблюдается слабый рост температуры высокоэнергичных электронов (рост хвоста ФРЭЭ), что как было показано моделированием DFCCP, связано со стохастическим нагревом электронов.

100 20 mTorr O 20 mTorr 100 mTorr H2 100 mTorr 500 mTorr 500 mTorr 10- f(), eV-3/ f(), eV-3/ 10- 10- 10- 10- 0 5 10 15 20 25 10-, eV 0 5 10 15 20 25, eV (а) (б) Рисунок 1.4. ФРЭЭ в центре DFCCP реактора при 20, 100 и 500 мТор, 50 Вт 81 МГц, 0В на 1.76МГц. (а) – Н 2, (б) – О 2.

100 100 20 mTorr 20 mTorr He Ar 100 mTorr 100 mTorr 500 mTorr 500 mTorr f(), eV-3/ -3/ 10-1 10- f(), eV 10-2 10- 10-3 10- 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25, eV, eV (а) (б) Рисунок 1.5. ФРЭЭ в центре DFCCP реактора при 20, 100 и 500 мТор, 50 Вт 81 МГц, 0В на 1.76МГц. (а) – Ar, (б) – He.

Данные, полученные в ходе зондовых измерений в DFCCP, коротко иллюстрирует таблица 1.

Таблица 1. – Данные зондовых измерений в DFCCP.

Аргон (Ar) Мощность Напряжение Плазменный Температура Плотность Плавающий Давление, на 81МГц, на 1.76МГц, потенциал, электронов плазмы потенциал, мТор - Вт В В T e, эВ n i, см В 20 50 0 37.2 4.54 5.82E+10 24. 20 50 200 38.2 3.67 5.49E+10 25. 20 50 400 38.5 2.72 5.19E+10 25. 20 75 0 37.7 2.59 6.69E+10 24. 20 100 0 40.2 2.23 7.49E+10 25. 20 100 200 41.8 2.55 7.20E+10 23. 20 100 400 42.5 2.61 6.32E+10 100 50 0 31.7 2.17 5.50E+10 22. 100 50 200 32.8 1.98 5.37E+10 23. 100 50 400 33.5 1.96 5.68E+10 24. 100 75 0 36.4 2.17 6.82E+10 100 100 0 39.7 2.38 7.67E+10 29. 100 100 200 40.3 2.21 7.35E+10 30. 100 100 400 40.5 2.07 7.62E+10 30. 500 0 800 80.1 3.33 5.35E+09 56. 500 50 0 26.7 4.47 2.29E+10 17. 500 50 200 28.3 2.61 2.21E+10 17. 500 50 400 34.3 5 2.74E+10 23. 500 75 0 28.9 3.49 2.99E+10 19. 500 100 0 31.3 3.39 3.45E+10 22. 500 100 200 31.4 6.16 3.10E+10 22. 500 100 400 35.4 3.02 3.77E+10 25. Гелий (Не) Плазменный Температура Мощность Напряжение Плотность Плавающий Давление, потенциал, электронов на 81МГц, на 1.76МГц, плазмы потенциал, мТор - В T e, эВ Вт В n i, см В 20 50 0 45.9 8.64 1.99E+10 20 50 200 48.4 7.98 1.97E+10 22. 20 50 400 48.9 8.29 1.97E+10 21. 20 75 0 49.3 8.42 1.79E+10 19. 20 100 0 51.2 9.35 1.36E+10 12. 20 100 200 52.4 12.45 1.46E+10 13. 20 100 400 52.6 5.57 1.78E+10 20. 100 50 0 32.7 5.22 2.46E+10 17. 100 50 200 34.8 5.04 2.46E+10 19. 100 50 400 36.9 4.41 2.50E+10 20. 100 75 0 34.8 4.62 2.43E+10 18. 100 100 0 36.5 4.76 3.22E+10 20. 100 100 200 39.6 5.7 4.18E+10 24. 100 100 400 40.2 4.89 3.35E+10 23. 500 0 400 37 -- -- 500 0 600 39 -- -- 20. 500 0 1000 44.8 9.18 2.55E+09 32. 500 50 0 26.6 3.03 1.88E+10 17. 500 50 200 27.1 3.48 2.04E+10 17. 500 50 400 27.9 3.58 2.12E+10 18. 500 75 0 29.2 3.45 2.47E+10 19. 500 100 0 31.6 3.96 2.96E+10 22. 500 100 200 32.1 3.15 2.99E+10 22. 500 100 400 32.7 3.31 3.04E+10 Водород (Н 2 ) Плазменный Температура Мощность Напряжение Плотность Плавающий Давление, потенциал, электронов на 81МГц, на 1.76МГц, плазмы потенциал, мТор - В T e, эВ Вт В n i, см В 20 50 0 41.3 9.43 1.28E+10 18. 20 75 0 36.3 7.98 1.83E+10 100 50 0 24 1.17 9.29E+09 18. 100 50 200 26.2 1.46 8.91E+09 20. 100 50 400 27.4 1.42 8.85E+09 21. 100 75 0 27.4 1.59 1.16E+10 22. 100 100 0 30.8 1.16 1.36E+10 25. 100 100 200 33.5 0.98 1.35E+10 28. 100 100 400 34.3 1.12 1.36E+10 500 50 0 24 2.33 2.64E+09 17. 500 50 200 26.3 2.44 2.65E+09 500 50 400 29 2.32 2.77E+09 15. 500 75 0 24.5 2.52 2.87E+09 15. 500 100 0 25.5 5.85 3.05E+09 12. 500 100 200 26.5 3.48 2.98E+09 13. 500 100 400 28.3 6.19 3.04E+09 12. Kислород (О 2 ) Плазменный Температура Мощность Напряжение Плотность Плавающий Давление, на 1.76МГц, потенциал, электронов на 81МГц, плазмы потенциал, мТор - T e, эВ Вт В В n i, см В 20 50 0 39.9 3.69 2.87E+10 25. 100 50 0 31.9 1.21 1.19E+10 24. 100 50 200 32.7 2.19 1.39E+10 23. 100 50 400 33.1 2.22 1.45E+10 24. 100 75 0 37.5 1.61 1.60E+10 29. 100 100 0 41.1 1.24 2.05E+10 33. 100 100 200 40.4 1.66 2.14E+10 33. 100 100 400 39.5 1.71 2.19E+10 32. 200 50 0 30.6 4.37 6.70E+09 19. 200 50 200 29.2 10.62 6.18E+09 5. 200 50 400 31.1 3.78 6.39E+09 5. 200 75 0 33.8 2.94 7.91E+09 23. 200 100 0 37.6 2.15 9.30E+09 28. 200 100 200 37.1 4.68 8.62E+09 12. 200 100 400 37.4 4.53 9.60E+09 14. DFCCP реактор в камере из неражвеющей стали обладает изначально определенной асимметрией по отношению к вч возбуждению, что отражается на параметрах празмы и соответственно режиме работы. Чтобы понять и оценить степень влияния камеры на характеристики DFCCP разряды были проведены эксперименты в симметричном реакторе с одинаковыми электрордами разделенными кварцевым цилиндром. Он также играл роль вакуумной камеры. Схема этого реактора показана на рисунке 1.6. Фотография симметричного DFCCP реактора представлена на рисунке 1.7.

Расстояние между электродами составляло 2.5 см. Для возбуждения плазмы использовались вч генераторы, работающие на частотах 1.76МГц, 13.56МГц и 81.36МГц.

Концентрация электронов, температура электронов и потенциал плазмы измерялись с помощью ленгмюровского вч компенсированного зонда. Поток ионов и функция распределения ионов по энергии (ФРИЭ) измерялись с помощью четырехсеточного анализатора энергии ионов, расположенного под нижним, заземленным электродом. Входное отверстие анализатора ионов закрывалось сеткой с размером ячейки 400 мкм. На рисунке 1. приведены плотность электронов в Не при различных давлениях газа от 20 до 200 мТорр.

Разряд возбуждался только на частоте 81 МГц. Как видно, концентрация электронов в Не слабо зависит от давления газа.

Рисунок 1.6. Схема двухчастотного плазменного реактора.

Рисунок 1.7. Фотография симметричного двухчастотного CCP реактора.

P, mTorr He 1. ne, 1011 cm- 1. 0. 0. 0. 0 10 20 30 40 50 60 70 P81MHz, W Рисунок 1.8. Зависимость концентрации электронов в ССР разряде на 81МГц в Не от подводимой мощности при разных давлениях.

На рисунке 1.9 приведена концентрация электронов в двухчастотном разряде в кислороде в зависимости от мощности на частоте 81 МГц при различном напряжении на частоте 1. МГц. Видно, что концентрация электронов в кислороде при равных условиях ниже, чем в гелии. При этом плотность плазмы растет с увеличением напряжения на низкой частоте, что почти не наблюдалось в асимметричном реакторе.

2.0 U1.76MHz = 300V O 1. U1.76MHz =160V 1. U1.76MHz= 0V 0. 0. 0. 0 5 10 15 20 25 P81MHz, W Рисунок 1.9. Концентрация электронов в двухчастотном ССР разряде (81МГц + 1.76МГц) в кислороде при давлении 60 мТор и разном напряжении U eff на частоте 1.76 мГц.

На рисунке 1.10 приведены зависимости степени диссоциации кислорода от подводимой мощности в двухчастотном разряде в кислороде. Степень диссоциации кислорода измерялась с помощью эмиссионной спектроскопии методом актинометрии по атомам аргона. Для этого в кислород было добавлено 5% Ar, и по отношению линий излучения О(777 нм) и Ar(750 нм) была рассчитана степень диссоциации. Отношение констант скорости электронного возбуждения излучающих уровней атомов бралось из модели (см. ниже). Из сравнения с поведением плотности плазмы (см. рисунок 1. 9), степень диссоциации в целом повторяет поведение концентрации электронов независимо от режима разряда. Таким образом, степень диссоциации фактически управляется мощностью вложенной в разряд, поскольку плотность электронов является гладкой растущей функцией вложенной вч мощности.

На рисунке 1.11а и 1.11б представлены распределения по энергии ионов, падающих на поверхность нижнего электрода в аргоне при давлении 40 мТор соответственно в CCP разряде на частоте 80 МГц и в DFCCP разряде на частотах 81МГц + 1.76 МГц. Как видно добавление очень небольшой (всего ~6%) мощности на низкой частоте кардинально меняет спектр ионов в сторону увеличения энергии. Правда при этом кардинально меняется и форма спектра – он значительно уширяется.

O2 U1.76MHz= 300V [O]/[O2], 10- 15 U1.76MHz= 160V U1.76MHz= 0V 0 5 10 15 20 25 P81MHz, W Рисунок 1.10. Степень диссоциации кислорода в двухчастотном разряде в зависимости от вложенной мощности на высокой частоте 81 МГц.

Аналогичную тенденцию показывает энергетический спектр ионов в DFCCP разряде в Не (см. рисунок 1.12а и 1.12б). Как видно, форма спектра в гелии отличается от формы спектра в аргоне. Даже в CCP разряде только на высокой частоте 81МГц спектр Не+ ионов оказывается уже несколько уширенным вследствие более легкой массы ионов и большего сечения столкновений, чем в аргоне. Однако и здесь добавление небольшой мощности на низкой частоте кардинально смещает спектр ионов в сторону увеличения энергии.

Ar Ar 81 MHz, 30W f(), eV- f(), eV- 15 20W 10 10W 81MHz(30W) + 1.76 MHz(2.5W) 81MHz,30W 0 50 100 150 0 10 20 30 40 50 60 70, eV, eV (а) (б) Рисунок 1.11 Спектр ионов в DFCCP разряде в аргоне при давлении 40 мТор: (а) - 81 МГц при мощностях 10, 20 и 30 Вт, (б) – 81МГц(30Вт) + 1.76МГц(2.5Вт, U eff = 200В).

He 0. He 0. f(), eV- f(), eV- 0. 81MHz(15W) 0. 0. 81MHz(15W) + 1.76MHz(Ueff=140V) 0. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 10 20 30 40, eV, eV (а) (б) Рисунок 1.12 Спектр ионов при DFCCP разряде в гелии при давлении 40 мТор: (а) - 81 МГц, 15 Вт, (б) - 81МГц(15 Вт) + 1.76МГц(U eff = 140В).

На рисунке 1.13а приведена ФРИЭ для ССР разряда в кислороде при возбуждении на частоте 81 МГц при разной мощности. Как видно, энергетические спектры ионов в аргоне и кислороде подобны, что неудивительно учитывая что массы ионов и параметры плазмы в Ar и О 2 не слишком различаются. Аналогичная тенденция наблюдалась и в двухчастотном DFCCP разряде в О 2. Поэтому были проведены измерения в двухчастотном разряде возбуждаемом на частотах 81МГц и 13.56МГц. На рисунке 1.13б приведен спектр ионов в кислороде при возбуждении на этих частотах. Как видно характер спектра ионов существенно отличается от случая, когда нижняя частота составляла 1.76 МГц (сравните с рисунком 1.11б). В DFCCP разряде спектр ионов остался пикированным как в одночастотном 81 МГц, но теперь энергия всех ионов регулируется напряжением на частоте 13.56 МГц. Это дает возможность для тонкого управления энергией ионов в тех особых случаях когда пороги реактивно ионного травления и физического распыления материала близки, равно как и при низком пороге дефекто-образования за счет ионного бомбардировки.


O O2 1. 81MHz,30W U13MHz=136v 1. U13MHz=200v f(), eV- 3 1. 20W f(), eV- U13MHz=220v 81MHz,10W 0. 10W 0. 0. 0. 0. 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60, eV, eV Рисунок 1.13. Спектр ионов в DFССР разряде в кислороде при давлении 40 мТор: (а) - МГц при разных мощностях 10, 20, и 30 Вт, (б) – 81МГц(10Вт) + 13.56МГц(U eff = 136, 200 и 220В).

Определение оптимальных режимов для высокоанизотропного травления алмазных пленок Вследствие высокой степени сложности разработка новых современных технологий всегда опирается на самый надежный фундамент – знания. Потому разработка и отладка даже одного процесса требует такого же подхода. Именно основываясь на детальном экспериментальном и теоретическом исследовании физики DFCCP разряда (см.выше и предыдущие отчеты), а также анализе литературных данных, было проведена оптимизация процесса анизотропного травления алмазных пленок.

Для этого методом PECVD плазмохимического осаждения в микроволновой плазме на кремниевую подложку осаждались поликристаллические алмазные пленки толщиной 5- мкм. На р сунке 1.14 представлено SEM (сканирующий электронный микроскоп) и микрофотография поликристаллической алмазной пленки. Хорошо видно, что характерные размеры кристаллитов алмаза в пленке вплоть до 2 мкм.

Рисунок 1.14. SEM фото поликристаллической алмазной пленки. Хорошо видно, что характерные размеры кристаллитов алмаза вплоть до 2 мкм.

Образцы алмазной пленки помещались на нижний электрод в DFCCP реакторе, на который подавалось вч смещение на частоте 1.76 МГц. Это давало возможность регулировать энергетический спектр ионов падающих на образец пленки независимо от потока ионов, который регулировался мощностью на высокой частоте 81 МГц. Образцы пленок закрывались кремниевой пластиной толщиной 400 мкм, в которой было сделано тестовое отверстие такого же размера ~400 мкм. Через это отверстие происходило травление алмазной пленки. Параметры и режимы DFCCP разряда в чистом кислороде варьировались исходя из результатов экспериментов и моделирования, чтобы обеспечить режим реактивно ионного травления алмазной пленки.

На рисунке 1.15 представлены SEM изображения профиля травления алмазной пленки через отверстие в кремниевой пластине для режима одночастотного 81 МГц CCP разряда при давлении кислорода 100 мТор, мощности 50 Вт на 81 МГц. Смещение на низкой частоте 1.76 МГц при этом не подавалось.

~30 мкм 400 мкм (а) (б) Рисунок 1.15. Профиль травления поликристаллической алмазной пленки через тестовое отверстие 400 мкм в кремниевой пластине толщиной 400 мкм. 30 мин. DFCCP в О 2 мТор, 50 Вт на 81 МГц, 0 В на 1.76МГц. (а) – отпечаток отверстия на пленке, (б) – край протравленной области.

Область под отверстием хорошо на видна вследствие того, что SEM фото было сделано во вторичных электронах, выход которых из поверхности углерода сильно зависит от его алломорфного состояния. По-видимому, ионная бомбардировка сопровождается трансформацией sp3 фазы (алмаз) углерода в sp2 фазу (графит и аморфный углерод). Энергия ионов, падающих на образец в данном режиме, была ~50-60 эВ согласно экспериментам (см.

раздел 1.1). Очевидно, что эта энергия явно недостаточно для обеспечения анизотропного травления, так как наблюдается широкая граница (~30 мкм) подтрава (см. рисунок 1.2.2б), что возможно только, если травления идет главным образом атомами кислорода, которые могут реально далеко проникать под неплотно лежащую на поверхности пленки кремниевую пластину.

На рисунках 1.16 и 1.17 представлены SEM изображения профиля травления алмазной пленки, аналогичные рисунки 1.15, но уже в режиме двухчастотного CCH, когда на образец подавалось смещение на низкой частоте 1.76МГц: 400 В и 1000 В соответственно.

~17 мкм (а) (б) Рисунок 1.16. Профиль травления поликристаллической алмазной пленки через тестовое отверстие 400 мкм в кремниевой пластине толщиной 400 мкм. 30 мин. DFCCP в О 2 мТор, 50 Вт на 81 МГц, 400 В на 1.76МГц. (а) – отпечаток отверстия на пленке, (б) – край протравленной области.

~4 мкм (а) (б) Рисунок 1.17. Профиль травления поликристаллической алмазной пленки через тестовое отверстие 400 мкм в кремниевой пластине толщиной 400 мкм. 30 мин. DFCCP в О 2 мТор, 50 Вт на 81 МГц, 1000 В на 1.76МГц. (а) – отпечаток отверстия на пленке, (б) – край протравленной области.

Как видно на рисунках 1.16 и 1.17 отпечаток отверстия на SEM фото становится все контрастнее с увеличением энергии ионов. При этом поток ионов сохранялся так как мощность на 81 МГц не варьировалась. Это говорит об увеличении степени аморфизации поверхности алмазной пленки при росте энергии ионов. Также видно, что растет и глубина вытравленного области, т.е. растет скорость травления с ростом энергии ионов. Но что более важно, с увеличением энергии ионов резко уменьшается размер переходной области от протравленной до непротравленной пленки: ~17 мкм при U 1.76МГц =400 В и ~4 мкм при U 1.76МГц =1000 В. Причем в последнем случае этот размер становиться сравнимым с шероховатостью алмазной пленки, т.е. с характерным масштабом пространственного рассеяния ионов. Таким образом, при увеличении энергии ионов действительно реализуется реактивно ионное травление поликристаллической пленки алмаза, причем порог этого процесса по энергии ионов составляет сотни эВ.

Механизм реактивно ионного травления – это главным образом стимулирование энергичными ионами поверхностных реакций радикалов (в данном случае это атомы кислорода) с атомами материала с образованием летучих продуктов. В данном случае порог подобного процесса оказывается высоким в силу того, что требуется начальная аморфизация поверхности алмаза для поверхностной реакции атомов кислорода и углерода, а этот процесс требует высокой энергии ионов.

Согласно экспериментам (см. этот раздел выше) и моделированию (см. раздел 2) увеличение мощности на 81 МГц при сохранении напряжения на 1.76 МГц ведет к росту потока ионов и атомов кислорода при сохранении спектра ионов, падающих на образец. На рисунках 1.18 и 1.19 представлены SEM изображения профиля травления алмазной пленки в DFCCP разряде при давлении кислорода 100 мТор, утроенной мощности 150 Вт на 81 МГц и напряжении на 1.76 МГц соответственно 400В и 1000В. Сравнение SEM фото на рисунках 1.16 и 1.17 с рисунками 1.18 и 1.19 показывает, что увеличение мощности на 81 МГц втрое при сохранении прочих параметров DFCCP разряда увеличивает как скорость, так и степень анизотропии травления алмазной пленки. Это еще раз свидетельствует о реализации в плазме двухчастотного ВЧЕ разряда механизма реактивно ионного травления и возможности тонкого управлении за счет использования двух вч напряжений. Однако при большом потоке атомов и высокой энергии ионов (см. рисунок 1.19) наблюдается образование наноразмерных твердых структур на дне протравленного тренча, которые остаются на дне тренча на кремниевой подложке даже после полного стравливания алмазной пленки. По видимому, это связано с разрушением распылением кремниевой пластины, образованием SiO 2, переосаждение и сегрегация которого затем происходят на дне тренча. Таким образом, реактивно ионное травление алмазной пленки требует дальнейшей его оптимизации по отношению к твердой маске используемой уже при создании структур в алмазной пленке.

~3 мкм (а) (б) Рисунок 1.18. Профиль травления поликристаллической алмазной пленки через тестовое отверстие 400 мкм в кремниевой пластине толщиной 400 мкм. 30 мин. DFCCP в О 2 мТор, 150 Вт на 81 МГц, 400 В на 1.76МГц. (а) – отпечаток отверстия на пленке, (б) – край протравленной области.

~4 мкм (а) (б) Рисунок 1.19. Профиль травления поликристаллической алмазной пленки через тестовое отверстие 400 мкм в кремниевой пластине толщиной 400 мкм. 30 мин. DFCCP в О 2 мТор, 150 Вт на 81 МГц, 1000 В на 1.76МГц. (а) – отпечаток отверстия на пленке, (б) – край протравленной области.

Так как поток ионов и в особенности атомов может быть существенно увеличен за счет роста давления, были проведены эксперименты также при варьировании давления кислорода. На рисунке 1.20 представлен профиль травления поликристаллической алмазной в DFCCP при большом давлении О 2 200 мТор и при тех же остальных параметрах что на рисунке 1.19, т.е. при 150 Вт на 81 МГц и напряжении 1000 В на 1.76МГц. Сравнение рисунков 1.19 и 1.20 показывает скорость и анизотропия травления падают с ростом давления, при этом плотность образованных наноразмерных твердых структур на дне протравленного тренча не слишком уменьшается. Это связано с изменением спектра ионов в сторону более низких энергий вследствие соударений ионов в приэлектродном слое. Таким образом, спектр ионов, падающих на поверхность алмазной пленки, имеет решающее значение для реализации механизма реактивно ионного травления. Поэтому для анизотропного травления алмазных пленок необходимо использовать режимы работы двухчастотного вч разряда при низком давлении.

~15 мкм (а) (б) Рисунок 1.20. Профиль травления поликристаллической алмазной пленки через тестовое отверстие 400 мкм в кремниевой пластине толщиной 400 мкм. 30 мин. DFCCP в О 2 мТор, 150 Вт на 81 МГц, 1000 В на 1.76МГц. (а) – отпечаток отверстия на пленке, (б) – край протравленной области.

Выводы На основании зондовых измерений и измерений с помощью анализатора энергии ионов исследованы режимы работы двухчастотного вч реактора. Измерены функции распределения электронов по энергии в аргоне, гелии, кислороде и водороде. Получены параметры плазмы: плотность электронов, температура электронов, плазменный потенциал в широком диапазоне условий. Измерены концентрации атомов кислорода и потоки ионов на исследуемые образцы. Измерены энергетические спектры ионов падающих на электрод и соответственно обрабатываемые образцы. Продемонстрированы возможности управления энергией и потоками частиц на образцы с помощью вариации режима работы DFCCP реактора.


С помощью травления тестового тренча диаметром 400 мкм и исследования профилей травления методом сканирующей электронной микроскопии (SEM) во вторичных электронах проведена оптимизация реактивно ионного травления алмазных пленок в двухчастотном ВЧЕ разряде в кислороде. Оптимизация осуществлялась по энергии и потоку ионов, а также потоку атомов кислорода, так же как скорости и анизотропии травления. Показано, спектр ионов, падающих на поверхность алмазной пленки, имеет решающее значение для реализации механизма реактивно ионного травления. При этом ионы высоких энергий в сотни обеспечивают высокие скорость и анизотропию травления. Поэтому для анизотропного травления алмазных пленок необходимо использовать режимы работы двухчастотного вч разряда при низком давлении. Высокие энергия и поток ионов, необходимые для анизотропного травления алмазной пленки, требуют проведения дальнейшей оптимизации данного процесса по отношению к маске, используемой для создания структур на ее поверхности.

2. Создание многомасштабной (multi-scale) модели, включающей объемную плазмохимию и поверхностные процессы на поверхности обрабатываемых подложек, позволяющей управлять процессом травления алмазных структур в ДЧ плазме в смеси Не, О На данном этапе проекта были разработаны модели в газовых средах, описывающие процессы в плазме, взаимодействующей с поверхностью разных материалов в экспериментальных условиях. Для описания взаимодействия атомов кислорода с образцами, модели плазмы дополнены разработанными на предыдущих этапах проекта моделями.

Для аккуратного описания физических процессов в плазме ВЧЕ разряда использовалась самосогласованная кинетическая 1D модель на основе модели «Частиц в ячейке» с Монте-Карло столкновениями (МЧЯ МКC) [1, 2], детально описанная в Отчете 1.

Модель плазмы в гелии. Список реакций электронов и ионов с нейтральными частицами в гелии представлен в Таблице 2.1.

Таблица 2.1. – Список реакций электронов и ионов с нейтральными частицами в гелии.

Тип реакции Реакция Порог (эВ) Транспортное рассеяние e + He e + He Возбуждение метастабильных уровней e + He e + He* 19. 3 (2 S + 2 S) Возбуждение 23P e + He e + He 20. Возбуждение 21P e + He e + He** 21. Возбуждение 33P e + He e + He 23. Возбуждение 31P e + He e + He 23. Возбуждение n3P (n3) e + He e + He 23. Возбуждение 41P e + He e + He 23. Возбуждение n1P (n4) e + He e + He 23. Ионизация e + He e + e + He+ 24. Ступенчатая ионизация e + He* e + e + He+ 4. Радиационный распад He** h + He Упругое рассеяние ионов He+ + He He+ + He Резонансная перезарядка He+ + He He_fast + He+ ионов В модели учитывается вторичная эмиссия электронов под действием потока ионов, быстрых атомов, метастабильных частиц и фотонов. Пространственные распределения нейтральных компонент находятся из решений уравнений непрерывности:

n k ( z, t ) = k + S k ( z, t ) t z где n k концентрация нейтральной компоненты типа k, k = - D k n k /z соответствующий диффузионный поток, D k - коэффициент диффузии, S k полная скорость образования и гибели частиц типа k в химических реакциях.

Граничные условия для нейтральных компонент:

n k v t,k = k k z =0,L 4 z =0,L - тепловая скорость, k - вероятность гибели на стенке для частиц типа k. Для v t,k метастабильных атомов гелия вероятность гетерогенной гибели полагалась равной 0.4.

На основе разработанной модели были получены пространственные распределения заряженных и нейтральных частиц по разрядному промежутку, а также потоки ионов, метастабильных атомов и фотонов на подложку на электроде и энергетический спектр ионов на подложке. На рисунке 2.1а и 2.1б представлены соответственно пространственное распределение электронов и функция распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) в центре ВЧ разряда в гелии на частоте 81 МГц при давлении 100 мТор и вложенной мощности 20 Вт. Функция распределения электронов в этих условиях близка к Максвелловскому распределению.

Поток фотонов на поверхность электродов оценивался на основе вычисленной скорости возбуждения резонансного уровня атомов гелия 21P, так как было проанализировано, что эффект перепоглощения излучения не имеет существенного влияния для разряда данной геометрии в исследуемом диапазоне давлений. Рассчитанный поток фотонов на подложку возрастает с 21015 до 61015 см-3с-1 при возрастании вложенной мощности с 10 до 80 Вт. Таким образом, поток фотонов возрастает пропорционально плотности электронов. Поток метастабильных атомов на подложку также зависит от плотности электронов, поскольку при данном давлении газа процесс гетерогенной гибели и ступенчатая ионизация дают сравнимый вклад как стоки метастабильных атомов.

He, 100mTorr, 20W 6,00E+ e He+ 0, 5,00E+ EEDF, cm-3/ 4,00E+ 0, N, cm- 3,00E+ 2,00E+010 1E- 1,00E+ 1E- 0,00E+ 0 10 20 30 0,0 0,5 1,0 1,5 2, energy, eV z, cm (а) (б) Рисунок 2.1. Пространственное распределение электронов (а) и ФРЭЭ (б) в центре ВЧ разряда в гелии на частоте 81 МГц при давлении 100 мТор и вложенной мощности 20 Вт.

На рисунке 2.2 представлена рассчитанная функция распределения ионов по энергиям (ФРИЭ или IEDF) на электроде в случаях одночастотного разряда на частоте 81МГц и двухчастотного разряда 81МГц-1.76МГц. Как видно, добавка низкой частоты (U eff = 300В) приводит к существенному расширению энергетического спектра ионов, что хорошо соответствует эксперименту (см. раздел 1.1.1).

10-1 He 50mTorr 81MHz(10W) + 1.76MHz (Ueff=300V) IEDF, eV- -2 81MHz(5W) 10- 10- 0 100 200 300 400, eV Рисунок 2.2 Функция распределения ионов на электроде в одночастотном 81МГц разряде (сплошная кривая) и двухчастотном 81МГц-1.76МГц разряде (пунктирная кривая) в гелии при давлении 50 мТор.

Модель двухчастотного ВЧЕ разряда в кислороде.

В данной модели кинетически описывается движение электронов, ионов (O 2 +, O+, O-) и быстрых молекул O 2 fast, образующихся в реакции перезарядки в приэлектродном слое.

Список учитываемых в модели столкновений электронов и ионов с нейтральными частицами приведен в таблицах 2.2 и 2.3.

Таблица 2.2. – Столкновения электронов с нейтральными частицами Порог Тип столкновения Реакция (эВ) Упругое рассеяние e + O2 e + O e + O 2 e + O2 ( a 1 g ) 1.

Возбуждение e + O2 e + O2 1. электронных состояний e + O2 e + O2 4. e + O 2 e + O3p+ O3p 5. e + O 2 e + O3p+ O*1d 7. Диссоциация e + O 2 e + O3p+ O*1s 9. e + O 2 e + O3p+ O*5p 17.

e + O 2 e + O 2 (v=1) Возбуждение колебательных 0. состояний e + O 2 e + O 2 (v=2) 0. Возбуждение атомов e + O3p e + O*5p 10. Прилипание e + O 2 O3p+ O- 4.

e + O2 e + e + O2+ 12. Ионизация e + O 2 e + O+ + O3p 18. Таблица 2.3. – Столкновения ионов с нейтральными частицами Тип столкновения Реакция O2+ + O2 O2+ + O Упругое рассеяние O+ + O 2 O+ + O O- + O 2 O- + O Резонансная перезарядка O2+ + O2 O2 + O2+ O- +O e + O Отлипание O- +O 2 (a1 g ) e + O Было проведено моделирование одночастотного разряда, возбуждаемого на частоте 81 МГц, и двухчастотного разряда 1.76 МГц – 81 МГц при давлении кислорода 70 мТор.

Моделирование ДЧ разряда проводилось при фиксированных значениях напряжениия на низкой частоте U l eff = 160 В и 300 В. Усредненные по периоду распределения плотности плазмы, средней энергии электронов и потенциала плазмы представлены на рисунках 2.3 и 2.4 для одночастотного разряда 81 МГц при вложенной мощности 10 Вт и для двухчастотного разряда при полной мощности, вложенной в разряд 11 Вт и напряжении на низкой частоте U l eff=300 В.

Разряд при данных параметрах находится в электроположительном режиме:

плотность электронов больше плотности отрицательных ионов. Основной положительный ион – O 2 +. При переходе к двухчастотному разряду увеличиваются приэлектродные слои, средняя энергия электронов в центре разряда уменьшается (с 4 эВ до 2.5 эВ).

Функция распределения электронов по энергии (ФРЭЭ) в центре разрядного промежутка для ОЧ и ДЧ разрядов показана на рисунке 2.5. В одночастотном разряде на 81 МГц ФРЭЭ имеет вид близкий к Максвелловскому распределению. При переходе к ДЧ разряду спектр электронов принимает вид, близкий к двухтемпературному, за счет дополнительного нагрева электронов в приэлектродных слоях и вклада гамма-электронов.

В одночастотном разряде в кислороде функции распределения ионов по энергии (ФРИЭ) были измерены экспериментально. В двухчастотном же случае экспериментальное измерение ФРИЭ при большой амплитуде напряжения на низкой частоте затруднено возникающими вследствие этого динатронными эффектами на сетке анализатора ионов [3].

В такого случая для двухчастотного разряда на рисунках 2.6 – 2.9 представлены расчетные функции распределения ионов O 2 + и O+ приходящих на поверхность электрода.

Рисунок 2.3. Профили распределения концентрации заряженных частиц (вверху), средней энергии электронов (справа) и потенциала плазмы (слева) для ОЧ разряда в О 2 на 81 МГц, давления 70 мТор, вложенной мощности 10 Вт.

На рисунках 2.6 и 2.7 показано изменение энергетического спектра ионов в ДЧ режиме при фиксированном напряжении на низкой частоте. Как видно, добавление низкой частоты существенно увеличивает ширину спектра ионов на электроде, что хорошо согласуется с экспериментом (см. раздел 1.1.1). При изменении полной мощности в разряде при фиксированном напряжении на низкой частоте (U eff = 300 В) спектр ионов O+ сдвигается по энергетической шкале в сторону больших энергий, при этом ширина спектра остается постоянной в соответствии с экспериментом и аналитическими выводами для ФРИЭ в ДЧ разряде, полученными нами ранее [4]. Средняя энергия ионов О 2 + и О+ показана в таблице 2.4.

Рисунок 2.4 Профили распределения концентрации заряженных частиц (вверху), средней энергии электронов (справа) и потенциала плазмы (слева) для ДЧ разряда 1. МГц – 81 МГц, давления 70 мТор, полной мощности 11 Вт, напряжение U l eff=300 В Несмотря на то, что поток ионов O+ в среднем в 5 раз меньше потока ионов O 2 + на поверхность электрода, энергия ионов O+ может достигать заметно б льших значений, чем энергия иона O 2 +, за счет меньшего числа столкновений в приэлектродном слое (отсутствие перезарядки). На рисунках 2.8, 2.9 показано изменение спектра ионов O 2 + и O+ при изменении напряжения на низкой частоте U eff = 160 В и U eff = 300 В. Ширина спектра увеличивается пропорционально увеличению напряжения на низкой частоте.

Рисунок 2.5 Функция распределения электронов по энергии в центре разрядного промежутка для ОЧ и ДЧ разрядов.

Рис. 2.6 Функция распределения ионов O 2 + на электроде. Сравнение спектров ионов при фиксированном напряжении на низкой частоте U eff = 300 В и изменении полной мощности Рисунок 2.7 Функция распределения ионов O+ на электроде. Сравнение спектров ионов при фиксированном напряжении на низкой частоте U eff = 300 В и изменении полной мощности Рисунок 2.8. Функция распределения ионов O 2 + на электроде. Сравнение спектров ионов двухчастотного разряда при фиксированной полной мощности 22 Вт и различном напряжении на низкой частоте.

Рисунок 2.9. Функция распределения ионов O+ на электроде. Сравнение спектров ионов двухчастотного разряда при фиксированной полной мощности 22 Вт и различном напряжении на низкой частоте.

Таблица 2.4. – Средняя энергия ионов O+ и O 2 + в ДЧ разряде U l eff = 300 В.

Средняя энергия иона, эВ Режим O2+ O+ Оч 30 ДЧ – 11 Вт 120 ДЧ – 17 Вт 144 ДЧ – 23 Вт 160 В таблице 2.5 приведены потоки ионов (O 2 +, O+) и нейтральных частиц (O 2 fast, O, O 2 (a1 g )), полученные в численном моделировании ДЧ ВЧЕ разряда в кислороде. Суммарный поток ионов в рассматриваемых режимах составляет (1 2.8)·1015. Поток быстрых молекул O 2 fast существенно возрастает в ДЧ разряде за счет увеличения приэлектродных слоев и большего числа столкновений резонансной перезарядки.

Таблица 2.5. – Потоки ионов и нейтральных частиц Потоки частиц, см-2с- Режим O 2 (a1 g ) O2+ O+ O 2 fast O ОЧ – 10 Вт 1.1e15 8e13 1.8e14 3.2e16 4.1e ДЧ – 22 Вт U l eff = 160 В 2.5e15 3.3e14 1.2e15 2.4e16 5.8e ДЧ – 11 Вт U l eff = 300 В 1.e15 2.2e14 8.4e14 7.e15 2.2e ДЧ – 17 Вт U l eff = 300 В 1.5e15 2.9e14 1.1e15 1.1e16 3.2e ДЧ – 23 Вт U l eff = 300 В 2.e15 4.2e14 1.3e15 1.2e16 4.1e Выводы На основе численного моделирования с использованием самосогласованной кинетической 1D модели и метода «Частиц в ячейке» с Монте-Карло столкновениями (МЧЯ МК) показаны особенности структуры двухчастотного ВЧЕ (ДЧ ВЧЕ) разряда в гелии и кислороде. Получены распределения электронов и ионов по энергии, которые хорошо соответствуют экспериментальным данным. Получены пространственные распределения и потоки на электрод заряженных и активных нейтральных частиц – атомов и возбужденных метастабильных атомов и молекул. Детально рассмотрены особенности формирования в ОЧ и ДЧ ВЧЕ разрядах энергетического спектра ионов O 2 + и O+ и потоков заряженных и нейтральных частиц на электрод (и соответственно на поверхность обрабатываемых образцов).

3. Проведение технико-экономической оценки рыночного потенциала всех полученных в проекте результатов Наименование разработки. Полученные результаты.

В ходе выполнения НИР исследовались неравновесные процессы в плазме многочастотных емкостных разрядов в различных газовых средах для разработки многофункциональных плазменных реакторов с прецизионным управлением для травления новых перспективных материалов наноэлектроники.

Были получены следующие основные результаты:

- модернизированы стенды на основе 2х частотного (ДЧ) (частоты 1,76 и 81,0 МГц) и 3х частотного (МЧ) (частоты 1,76, 13,56 и 81,0 емкостных разрядов при подводимой удельной ВЧ мощности до 0,5 Вт/см2. Диапазон давлений 20–500 мТор.

- собран экспериментальный стенд на основе ДЧ комбинированного емкостно индукционного разрядов. Диапазон давлений 5 – 20 мТор.

- модернизирована установка магнетронного реактора для нанесения различных твердотельных масок на основе оксидов (кремния, хрома, титана).

- построена самосогласованная многомасштабная модель МЧ разряда во фторуглеродах на основе полностью кинетического подхода для описания движения заряженных и нейтральных частиц методом частиц в ячейке с розыгрышем Монте Карло столкновений (МЧЯ МКС);

- построена самосогласованная модель ДЧ разряда в смесях с кислородом, водородом с добавками азота и аммиака для травления резиста в low-k в технологии.

- построена самосогласованная многомасштабная модель для описания высоко анизотропного травления моно- и поликристаллических алмазных пленок в кислородсодержащей (смесь Не и О 2 ) плазме ДЧ (емкостного и индукционно емкостного) разряда.

- сформирована база данных для математических моделей МЧ плазменных реакторов, включающая:

- наборы сечений взаимодействия электронов, ионов и быстрых нейтральных частиц с молекулами газов, используемых в исследуемых технологических процессах;

- кинетическую схему реакций для нейтральных частиц;

- кинетическую схему процессов и коэффициенты процессов на поверхности материалов, используемых в исследуемых технологических процессах;

Составлен отчет о НИР, содержащий обоснование развиваемого направления исследований, изложение методик проведения исследований, а также описание полученных результатов.

Область применения.

НИР направлена на разработку технологий травления перспективных материалов микро и наноэлектроники на основе использования многофункциональных многочастотных плазменных реакторов с прецизионным управлением режимами.

Оценка положения в данной области.

Научно-технический уровень выполненных разработок и исследований и полученных результатов.

принципиальная новизна научных и технических достижений • НИР направлен на решение одного из самых сложных моментов технологии анизотропного травления диэлектриков: необходимость осуществления с одной стороны анизотропии при больших скоростях травления, а с другой минимальное образование дефектов. Исследовалась возможность решения этой ключевой проблемы за счет применения многочастотного плазменного разряда и тонкой настройки режимов травления.

Технология производства СБИС с топологической нормой 32 нм и ниже невозможна без использования технологии многоуровневых межслойных соединений с использованием low-k материалов. При заметном увеличении длины проводников и быстродействия элементов обойти волновой предел, избежать ошибок и обеспечить устойчивость работы микросхемы возможно только в случае использования в качестве межслойных диэлектриков материалов с низкой диэлектрической проницаемостью – чем меньше, тем лучше. Это приводит к необходимости введения материалов с ультра-низкой константой (k2.5) диэлектрической проницаемости в качестве межслойных изоляторов. Технологии таких материалов все более интенсивно разрабатываются в ведущих зарубежных научных институтах и компаниях, однако, на сегодняшний день до практического применения доведено весьма ограниченное число технологических операций, поскольку внедрение нанопористых ULK материалов в технологию СБИС порождает много новых серьезных научных и технологических проблем, прежде всего связанных с высокой чувствительностью low-k материалов к процессам плазменной обработки. Такими процессами являются анизотропное травление и очистка ULK пленок (травление резиста на ULK), без которых в принципе невозможен сам процесс создания микросхемы, из чего следует вывод, что полученные результаты имеют приоритетный характер.

Полученные результаты имеют приоритетный характер и по своим функциональным характеристикам превосходит мировой уровень по основным параметрам.

возможности оформления патентов и обеспечения защиты создаваемой • интеллектуальной собственности Возможность и целесообразность оформления патентов будет уточнена в ходе выполнения дальнейших работ. Целесообразно обеспечивать защиту создаваемой интеллектуальной собственности в режиме коммерческой тайны.

перспективы внедрения и широкого использования • Результаты работы имеют мировой приоритет, подтверждаемый публикациями в ведущих российских и зарубежных научных журналах и позволяют перейти к выполнению прикладных НИОКР, а затем и опытно-конструкторских и опытно-технологических работ по разработке промышленных установок и технологий на основе разработанных лабораторных методов.

конкурентоспособность, обеспечение импортозамещения, перспектива привлечения к • разработкам зарубежных партнёров Анализ научно-технической и патентной литературы не выявил прямых аналогов разрабатываемой продукции. Привлечение зарубежных партнёров целесообразно в части совместной разработки оборудования, реализующего разработанные плазменные методы, использованные при обработке экспериментальных образцов, и промышленных технологий, адаптированных под международные стандарты в этой области и оборудование серийных производств СБИС. Таким партнером является межуниверситетский центр микроэлектроники IMEC (г.Лювен, Бельгия), с которым установились партнерские отношения и выполняются совместные работы.

Целесообразно проведение прикладной НИР по адаптации разработанных плазменных методов к возможностям серийных производств, что необходимо для достижения лидирующих позиций Российской Федерации в этой области.

достигаемая технико-экономическая эффективность и окупаемость затрат, • производительность, материалоёмкость, энергоёмкость и пр.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.