научная статья по теме МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАКЛОННОГО КАНАЛА НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ПЛАЗМЕННОГО ИСТОЧНИКА НЕЙТРАЛЬНЫХ ПУЧКОВ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАКЛОННОГО КАНАЛА НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ПЛАЗМЕННОГО ИСТОЧНИКА НЕЙТРАЛЬНЫХ ПУЧКОВ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2009, том 38, № 3, с. 188-197

^=МОДЕЛИРОВАНИЕ

УДК 621.382

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАКЛОННОГО КАНАЛА НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ПЛАЗМЕННОГО ИСТОЧНИКА

НЕЙТРАЛЬНЫХ ПУЧКОВ

© 2009 г. А. В. Дегтярев, В. П. Кудря, Ю. П. Маишев

Физико-технологический институт Российской АН kvp@ftian.ru Поступила в редакцию 30.10.2008 г.

Разработанная ранее модель канала нейтрализации плазменного источника нейтральных пучков применена к случаю наклонного канала нейтрализации. Представлены энергетические и угловые характеристики выходного пучка, а также зависимости коэффициента нейтрализации от длины и угла наклона канала. Обнаружен сильный эффект углового разделения ионов и быстрых нейтралов в источниках такой конструкции, который при ограничении углового диапазона выходного пучка позволяет эффективно устранить значительную часть ионов из выходного пучка, увеличивая тем самым коэффициент нейтрализации.

РЛС8 52.50.Dg, 52.77.-j

ВВЕДЕНИЕ

Одним из факторов, обеспечивших переход к субмикронной технологии изготовления интегральных схем, явилась замена жидкостных технологических процессов на плазменные. В настоящее время плазменные процессы успешно используются в серийном производстве интегральных схем, основанном на 45-нм технологии. Однако, при дальнейшем продвижении в направлении уменьшения технологической нормы критическими становятся такие недостатки, внутренне присущие плазменным процессам, как бомбардировка подложки заряженными частицами и ее экспонирование ВУФ-излучением, которые неизбежно приводят к возникновению геометрических искажений топологических наноэлементов и к образованию многочисленных дефектов в тонких слоях материалов и в уже сформированных структурах. На основе всестороннего анализа результатов экспериментальных и теоретических исследований указанных недостатков в [1] сделан вывод о том, что переход к суб-32-нм технологии может быть обеспечен только при условии внедрения процессов, использующих пучки нейтральных частиц.

Основной проблемой на этом пути является создание высокопроизводительного и стабильного источника, который может обеспечить однородные потоки (более 1016 част./(см2 с)) нейтральных атомов и/или радикалов при энергиях до нескольких сотен электрон-вольт. Наиболее перспективным решением этой проблемы является плазменный источник ионов в сочетании с системой нейтрализации ионного пучка. В качестве источника ионов может использоваться плазма разряда с хо-

лодным катодом [2-4], СВЧ-возбуждением [5, 6], ВЧ индуктивным возбуждением [7-9], а также с замкнутым дрейфом электронов [10]. Нейтрализация ионного пучка может происходить путем перезарядки на нейтральных атомах или молекулах при движении ионов как через сам разряд [2-4], так и через специальную область нейтрального газа [5, 10], а также путем нейтрализации ионов при скользящем отражении от стенок выходного канала [6-9].

Вследствие большого числа физических и геометрических параметров, характеризующих установку и режим ее работы, оптимизация этих параметров с целью получения требуемого состава и параметров выходного пучка может быть выполнена эффективно только с привлечением методов математического моделирования. Отметим, что ранее были опубликованы результаты моделирования прохождения ионного пучка через многослойный отражатель [11, 12] и через апертуру ионного источника с ВЧ-возбуждением [13, 14], причем использованные модели не включали столкнови-тельные процессы в газовой фазе. Более полный учет процессов нейтрализации выполнен в работе [15], в которой модель канала нейтрализации включала в себя процессы перезарядки и упругого рассеяния в газовой фазе, а также нейтрализации при скользящем отражении от стенок канала. На основе этой модели в [15] методом Монте-Карло было выполнено исследование выходных характеристик канала нейтрализации, предназначенного для работы совместно с кольцевым источником ионного пучка типа "Радикал" [16, 17]. Полученные результаты показали значительное влияние давле-

Канал нейтрализации

Рис. 1. Схема конструкции ионного источника и канала нейтрализации.

ния на степень нейтрализации выходного пучка и эффективность использования ионного пучка.

В настоящей работе представлены результаты математического моделирования несколько более сложного канала нейтрализации, который обеспечивает практически полную нейтрализацию выходного потока частиц при любом давлении в канале и исключает прямое прохождение ВУФ-излуче-ния от плазменного источника на обрабатываемую подложку. Приведены результаты исследования влияния параметров канала на энергетические и угловые характеристики выходного пучка при использовании аргона в качестве рабочего газа и нержавеющей стали в качестве материала канала.

ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ

На рис. 1 схематически представлено сечение моделируемой области установки, основанной на ионном источнике кольцевого или ленточного типа с холодным катодом, поперечным магнитным полем и замкнутым дрейфом электронов [16, 17]. Небольшое конструктивное изменение схемы ионного источника позволяет получить слегка расходящийся ионный пучок. Канал нейтрализации, вплотную примыкающий к катоду с внешней стороны, также имеет некоторый наклон, обеспечивающий получение выходного пучка, максимум угловой диаграммы которого направлен параллельно оси установки. Такая конструкция, с одной стороны, обеспечивает нейтрализацию на стенках канала практически для всех ионов исходного пучка, что устраняет необходимость использования

перезарядки в газовой фазе для повышения степени нейтрализации выходного пучка. Иначе говоря, эта конструкция позволяет снизить давление в канале нейтрализации, что, в свою очередь, приводит к уменьшению степени деградации пучка вследствие упругих столкновений быстрых частиц с частицами рабочего газа. С другой стороны, предлагаемая конструкция исключает прямое прохождение ВУФ-излучения из источника через апертуру к обрабатываемой подложке, которое имеет место в конструкциях [2-8, 10].

Физические процессы, происходящие при распространении ионного пучка в канале нейтрализации, и математическая модель, основанная на методе Монте-Карло, подробно описаны в работе [15], поэтому в настоящей работе эти вопросы рассмотрены лишь кратко.

Принцип действия плазменных источников быстрых нейтральных пучков основан на двух механизмах нейтрализации пучка быстрых ионов: перезарядке на частицах рабочего газа и захвате электрона из зоны проводимости при сближении иона с проводящей поверхностью канала. Кроме этих процессов следует учитывать рассеяние быстрых частиц на частицах рабочего газа и на стенках канала.

Для случая аргона функции распределения ионов Аг+ по энергиям, измеренные на выходе из ионного источника при различных значениях напряжения на разряде, давления в области разряда и магнитного поля в катодной щели [17], могут быть аппроксимированы гауссовой функцией

^ (Е) =

а е4Ък

ехр

(Б - Ес)2

2 а Е

(1)

где параметры Ес и аЕ определяются с помощью интерполяционных функций, обеспечивающих наилучшее приближение к указанным экспери-

ментальным результатам. Для функции распределения ионов по углам может быть использована аналогичная зависимость:

(6) =

свл/2к

ехр -

2а;

(2)

Нормировка в обоих случаях обеспечивает значение интеграла, равное единице.

Для процессов в газовой фазе используются следующие аппроксимирующие функции для сечения резонансной перезарядки ионов аргона аехсЬ,

сечения упругого рассеяния ионов аргона на атомах аргона а + и сечения упругого рассеяния

атомов аргона на атомах аргона аЛг-Лг [15]:

аехсь = 51.9/Е0

'.152

а = 41.9/Е0

Лг -Лг

.138

аЛг-Лг = 29.3/Е0

.310

(3)

причем энергия измеряется в эВ, а сечение - в А2.

В рассматриваемой геометрии удары частиц о стенки канала оказываются, в основном, скользящими. Результаты моделирования, выполненные для ионов аргона различных энергий, бомбардирующих материалы с различной атомной массой (Лг+/81 [18], Лг+/№ [19], Лг+/Си [20, 21], Лг+/Та [22]), показывают, что отражение при этом происходит практически зеркально и с единичным (относительно числа частиц) коэффициентом отражения.

Далее, детальное исследование рассеяния ионов аргона с энергией 20-100 эВ поверхностью кремния [18], выполненное методом молекуляр-

ной динамики, показало, в частности, что энергетическое распределение отраженных частиц в этом случае лежит между распределениями, предсказанными моделями однократного и двукратного (на равные углы) бинарного столкновения налетающей частицы с атомами поверхности. Это позволяет использовать указанные модели для оценки потерь энергии при рассеянии в условиях скользящего падения. В настоящей работе использована модель однократного бинарного столкновения, для которой отношение энергии после отражения к начальной энергии частицы дается известной формулой (см., например, [19]):

■^отр. _

Е /1 -К2

пад. (1 + Ц )

С08

(26) -4а

'-ап (26)

(4)

2

где 6 - угол падения (относительно нормали к поверхности), а - отношение масс налетающей частицы и атома поверхности.

Отметим, что так как через канал происходит истечение рабочего газа из области разряда в рабочую камеру и затем к системе откачки, то давление в нем изменяется по длине. При малых давлениях в разряде и используемых характерных геометрических размерах канала распределение давления в канале по длине можно считать линейно падающим.

С точки зрения моделирования рассматриваемая проблема представляет собой задачу транспорта частиц в некоторой среде с границами при наличии нескольких типов рассеяния в среде и на границах. Современные вычислительные ресурсы обеспечивают эффективное решение такой задачи методом Монте-Карло (МК, см., например, [23]).

Учитывая большое отношение диаметра кольцевой щели канала нейтрализации к ее ширине, заменим кольцевую щель плоским щелевым каналом, ограниченным верхней и нижней стенками. Отметим, что траектории частиц в таком канале, тем не менее, остаются трехмерными.

Как обычно, случайные значения геометрических и физических величин могут быть получены путем разыгрывания значения равномерно распределенной на полуинтервале (0, 1] случайной величины у с по

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