научная статья по теме ФОРМИРОВАНИЕ ПУЧКОВ БЫСТРЫХ НЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ НА ОСНОВЕ ИСТОЧНИКОВ ИОНОВ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ФОРМИРОВАНИЕ ПУЧКОВ БЫСТРЫХ НЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ НА ОСНОВЕ ИСТОЧНИКОВ ИОНОВ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 5, с. 355-362

ТЕХНОЛОГИЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

УДК 621.382

ФОРМИРОВАНИЕ ПУЧКОВ БЫСТРЫХ НЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ НА ОСНОВЕ ИСТОЧНИКОВ ИОНОВ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ © 2014 г. Ю. П. Маишев, С. Л. Шевчук, В. П. Кудря

Физико-технологический институт Российской АН E-mail: kvp@ftian.ru Поступила в редакцию 16.12.2013 г.

Показана возможность создания источника пучков БНЧ на базе источников ионов "Радикал" с различной конфигурацией. Выполненные измерения свидетельствуют, что выходной пучок такого источника на 100% состоит из нейтральных частиц, независимо от энергии частиц и их состава. Этот эффект достигается с помощью канала нейтрализации и электростатической отклоняющей системы. Также показана высокая направленность пучка БНЧ и возможность его транспортировки на большие расстояния. Приведены результаты исследования скорости распыления пучком нейтральных частиц Ar0 различных материалов.

DOI: 10.7868/S054412691404005X

ВВЕДЕНИЕ

Процесс производства практически любых изделий микро- и наноэлектроники включает в себя технологические операции, использующие обработку пластины направленным потоком быстрых атомарных или молекулярных ионов. Такими операциями, основанными на плазменной или ионно-пучковой технологии, могут быть очистка поверхности, травление поверхностного слоя (однородное по пластине или через защитную маску), осаждение тонких слоев различных материалов (прямое или с помощью распыления мишени), модификация химического состава приповерхностного слоя (окисление, азотирование, фторирование) путем внедрения атомарных или молекулярных частиц.

Плазменные и ионно-пучковые технологии характеризуются высокой производительностью и универсальностью, однако при продвижении промышленного производства в область проектных норм ниже 30 нм и дальнейшем уменьшении толщин рабочих слоев в создаваемых приборах резко возрастает негативное влияние заряженных частиц и УФ-излучения из зоны генерации плазмы на воспроизведение размеров и электрофизические характеристики создаваемых микро- и наноструктур. Действительно, наличие заряженных частиц в потоке, падающем на обрабатываемую подложку, в случае диэлектрических (функциональные слои или резистная маска) и даже слабо-проводящих материалов приводит к локальному накоплению заряда. Это, в свою очередь, может вызвать, по крайней мере, два негативных эффекта. Во-первых, наличие положительных зарядов

на защитной маске и на боковых стенках канавок или отверстий приводит к искривлению траекторий падающих ионов, что приводит к искажению размеров и формы создаваемых структур. Во-вторых, положительный заряд, встроившийся в структуру полупроводникового прибора, уже созданного или формируемого на обрабатываемой подложке, вызывает существенное изменение вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик этого прибора, нестабильность его параметров, а при достаточно большой величине — и электрический пробой. Аналогичное воздействие на электрофизические свойства оказывает и УФ-излучения из зоны генерации плазмы.

Для устранения указанных недостатков при сохранении всех достоинств ионно-пучковых технологий в конце 70-х годов прошлого века было предложено использовать источники пучков быстрых нейтральных частиц (ИПБНЧ). В последующие годы были выполнены многочисленные исследования, подтверждающие резкое снижение числа вышеуказанных дефектов при переходе от плазменных и ионно-пучковых методов к использованию пучков БНЧ. Очевидные преимущества технологии пучков БНЧ являются стимулом для разработки конструкций высокоэффективных ИПБНЧ, важными технологическими параметрами которых являются возможность длительной работы с химически активными газами, плотность потока частиц и размер обрабатываемой области, который должен обеспечивать однородную обработку полупроводниковых пластин диаметром 300—400 мм. Такие работы ак-

355

3*

тивно ведутся в США, Великобритании, Японии, Южной Корее, а также в России.

В настоящей работе описана конструкция и основные характеристики высокоэффективных ИПБНЧ, разработанных на базе источников ионов с холодным катодом и замкнутым дрейфом электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях. Эти источники отличаются простотой конструкции, высокой надежностью, большой плотностью тока в выходном пучке, а также практически неограниченной протяженностью выходной щели. Отметим, что разработанные ранее источники ионов такого типа нашли широкое применение в промышленности (микро- и наноэлектроника, оптика, пьезотехника и т.д.) [1—4]. Кроме того, в работе приведены некоторые результаты исследования процесса распыления некоторых материалов (81, 8Ю2, ^ ИМ, Т1С) с помощью разработанного источника пучков БНЧ.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ИСТОЧНИКОВ ПУЧКОВ БЫСТРЫХ НЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ

Практически все ИПБНЧ с энергией частиц, превышающей 1—2 эВ, основаны на нейтрализации пучка быстрых ионов. При этом в состав установки входят источник ионов, устройство для нейтрализации ионов и (если необходимо) устройство для удаления остаточных ионов из выходного пучка. Рассмотрим основные особенности каждой из этих частей.

В большинстве современных ИПБНЧ в качестве источника ионов используется цилиндрический реактор с индуктивным возбуждением газоразрядной плазмы на частоте 13.56 МГц. Ионы из области разряда экстрагируются либо с помощью системы вытягивающих электродов (сеток), либо с помощью сплошного выталкивающего электрода, расположенного на противоположном торце цилиндра (верхний электрод). Важной особенностью ионного источника такого типа является возможность экстрагирования как положительных, так и отрицательных ионов. Энергия экстрагированных ионов определяется напряжением, приложенным к указанным электродам.

Преобразование быстрых ионов в быстрые нейтральные частицы происходит либо при столкновениях ионов с частицами газа (перезарядка в газовой фазе), либо при рассеянии ионов на конструктивных элементах канала нейтрализации (например, вследствие оже-процесса). Эффективность газофазного механизма можно оценить с помощью простой модели [5, 6]. Введем две характеристики ИПБНЧ: коэффициент (степень) нейтральности пучка, который определяется долей нейтральных

частиц в пучке и, следовательно, характеризует качество зарядового состава выходного пучка

Kneutr(0 = Nn(l)l[Ni(l) + N„(l)], (1)

где Nn(l) и N(l) — нейтральная и ионная составляющие выходного пучка, l — длина области нейтрализации пучка, и коэффициент (степень) нейтрализации исходного ионного пучка, который определяет эффективность преобразования ионного пучка в нейтральный

Keff (l) = NJJ)I Nm, (2)

где No — величина ионного потока на входе в область нейтрализации.

Обозначим через ^exch среднюю длину свободного пробега иона относительно столкновений перезарядки, а через ^elast — среднюю длину свободного пробега иона относительно упругих столкновений с частицами газа и примем, что такой же величиной ^elast характеризуются упругие столкновения быстрых нейтральных частиц. Тогда для введенных выше коэффициентов можно получить простые выражения:

Kneutr(l) = 1 - exp (—/Xexch) , (3)

Keff (l) = exp (-1/Xelast) [1 - exp (-/Xexch)] ■ (4)

Если воспользоваться результатами измерений сечений указанных процессов, выполненных для аргона в работе [7], то можно получить графические зависимости, показанные на рис. 1 (p — среднее давление в канале нейтрализации). Видно, что при оптимальном значении газовой толщины области нейтрализации pl эффективность преобразования ионного пучка в нейтральный не превышает 40%. При этом степень нейтральности пучка составляет около 80%. Увеличение pl, естественно, приводит к возрастанию степени нейтральности пучка практически до 100%, но при этом эффективность самого преобразования резко падает, что для технологических ИПБНЧ неприемлемо.

Практически во всех современных конструкциях ИПБНЧ помимо перезарядки в газовой фазе используется нейтрализация ионов при их скользящем рассеянии на конструктивных элементах канала нейтрализации. В настоящее время используются две основных конструкции этого узла. В первом случае [8, 9] выходная часть реактора ионного источника (нижний электрод) представляет собой графитовую пластину толщиной порядка 10 мм, в которой проделаны отверстия диаметром порядка 1 мм, общая площадь которых составляет около 50% площади нижнего электрода. Графит в качестве материала для выходной апертуры был выбран вследствие низкого значения коэффициента распыления. Отметим, что на этот электрод также может подаваться постоянное, импульсное или ВЧ напряжение, что обеспе-

р1, Па см

Рис. 1. Зависимости ^пеи1г и от газовой толщины канала нейтрализации.

чивает дополнительную регулировку режима горения разряда и экстрагирования ионов. Цилиндрический реактор диаметром 100 мм обеспечивает при этом получение достаточно однородного пучка диаметром около 80 мм. Системы нейтрализации такого типа обеспечивают очень высокую степень нейтральности выходного пучка (порядка 95—98%) без заметного снижения эффективности преобразования ионного пучка в нейтральный.

Во втором случае [10] сразу после системы вытягивающих электродов под небольшим углом к направлению вылета ионов (порядка 5°) располагается стопка плоскопараллельных пластин, выполненных, например, из полированного кремния. Расстояние между пластинами и их размеры подобраны так, чтобы исключить прямое прохождение ионов. Из приведенных в литературе данных о подобных системах можно заключить, что они используются для обработки пластин диаметром до 200 мм. Системы нейтрализации такого типа обеспечивают очень высокую степень нейтральности выходного пучка (порядка 99%) без заметного снижения эффективности преобразования ионного пучка в нейтральный.

КОНСТРУКЦИЯ И ОСНОВНЫЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСТОЧНИКА БНЧ

В настоящей работе в качестве источника ионов используется источник с холодным катодом и замкнутым дрейфом электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях, расстояние анод-катод в котором имеет порядок ларморов-ского радиуса электронов [11]. В источниках такого типа положительный пространственный заряд ионного пучка компенсируется отрицательным

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»