научная статья по теме УСТАНОВКА ПРЕЦИЗИОННОГО РЕАКТИВНОГО ИОННО-ЛУЧЕВОГО ТРАВЛЕНИЯ НАНОСТРУКТУР ДЛЯ АВТОЭМИССИОННЫХ ПРИБОРОВ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «УСТАНОВКА ПРЕЦИЗИОННОГО РЕАКТИВНОГО ИОННО-ЛУЧЕВОГО ТРАВЛЕНИЯ НАНОСТРУКТУР ДЛЯ АВТОЭМИССИОННЫХ ПРИБОРОВ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2010, том 39, № 4, с. 274-283

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

УДК 533.9.07

УСТАНОВКА ПРЕЦИЗИОННОГО РЕАКТИВНОГО ИОННО-ЛУЧЕВОГО ТРАВЛЕНИЯ НАНОСТРУКТУР ДЛЯ АВТОЭМИССИОННЫХ ПРИБОРОВ

© 2010 г. Ю. П. Маишев, Ю. П. Терентьев, С. Л. Шевчук, Н. И. Татаренко*, В. А. Голиков*

Учреждение Российской академии наук Физико-технологический институт Российской АН

*ФГУП НИИ ТОЧНЫХ ПРИБОРОВ Е-таП:та1$кеу@/йап.гы Поступила в редакцию 23.09.2009 г.

Разработана установка прецизионного селективного реактивного ионно-лучевого травления наноструктур для автоэмиссионных приборов, оснащенная многопучковым источником ионов "Ради-кал-М160" с холодным катодом и замкнутым дрейфом электронов, формирующим пучок ионов рабочего вещества диаметром 160 мм, и ВЧ вводом для подачи ВЧ смещения на обрабатываемые подложки. Экспериментально исследованы технологические возможности установки. Показаны преимущества одновременного ионно-лучевого и ВЧ травления наноструктур. Проведены процессы прецизионного травления наноструктур через маску толщиной до 1 мкм и диаметром отверстий (20—30) нм (аспектное отношение структуры маски ~ 50 : 1).

ВВЕДЕНИЕ

Важным направлением развития современной вакуумной наноэлектроники является разработка тонкопленочных наноструктурных автоэлектронных микроприборов, сопоставимых с полупроводниковыми микроприборами по рабочим напряжениям и достигаемой степени интеграции и превосходящими их по быстродействию, радиационной и тепловой стойкости [1].

Для реализации таких микроприборов необходимо получение элементов с наноразмерами и максимально плотной упаковкой. Создание таких матриц с помощью литографических процессов затруднительно из-за сложности и низкой производительности получения резистивных масок.

Одним из способов решения этой проблемы является использование масок из нанопористого анодного оксида алюминия с наноразмерами пор. При толщине таких масок ~1 мкм диаметры пор могут составлять десятки нанометров. Аспектное отношение (отношение толщины маски к минимальному размеру элемента) в таких масках составляет ~(10—50) : 1.

Для обработки функциональных слоев автоэмиссионных приборов использование таких масок требует проведения процессов анизотропного и прецизионного травления.

Одним из таких процессов является процесс травления ионами инертных или химически активных газов [2, 3].

При травлении через относительно толстые диэлектрические маски пучком ионов на поверхно-

сти маски образуется положительный заряд, который необходимо нейтрализовать потоком электронов, равным по величине потоку ионов.

Обычно для этих целей используют накаливаемые термоэмиссионные катоды, срок службы которых при работе с химически активными веществами существенно ограничен.

Нами предложен метод нейтрализации заряда на поверхности диэлектрической или резистивной маски с помощью подачи на подложку ВЧ-потен-циала.

Преимущества подачи ВЧ-потенциала на подложку:

— возможность управления зарядом на поверхности подложки, что позволяет при травлении через резистивную маску устранить пробои в ней и искажения траекторий ионов;

— наличие пучка ионов при ВЧ травлении подложек существенно (иногда на порядок) снижает рабочее давление, при котором зажигается разряд, что позволяет повысить разрешающую способность процесса ВЧ травления.

Следует отметить, что оборудование, позволяющее проводить процессы травления тонкопленочных наноразмерных структур с использованием пучков ионов и ВЧ травления отсутствует.

Это вызвало необходимость создания специализированной установки прецизионного селективного реактивного ионно-лучевого наноразмерного травления (РИЛНТ) металлических и диэлектрических тонких пленок через маску из пористого оксида алюминия и резиста на подложках из ситалла

Стойка электропитания технологических устройств

Рабочая вакуумная технологическая камера

Вакумный откачной пост с безмасляной откачкой (агрегат откачной типа 3.300000)

Стойка электропитания агрегата откачного

Рис. 1. Блок-схема установки РИЛНТ.

(размером 48 х 60 мм) или кремния (диаметр пластин до 100 мм), предназначенной для формирования наноструктур с минимальными размерами элементов (до 20 нм) для автоэмиссионных приборов.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УСТАНОВКИ РИЛНТ

Блок — схема разработанной установки РИЛНТ приведена на рис. 1.

Установка состоит из вакуумного откачного поста (агрегат откачной типа 3.300.000), рабочей вакуумной технологической камеры и стоек электропитания и управления.

Агрегат откачной обеспечивает безмасляную откачку рабочей камеры турбомолекулярным насосом ТМН-1500 с эффективной быстротой откачки >700 л/с в диапазоне давлений (10-2—1.3 х 10-4) Па.

Принципиальная схема рабочей вакуумной технологической камеры с технологическими устройствами для обработки подложек представлена на рис. 2.

Рабочая камера установки РИЛНТ оснащена многопучковым источником ионов "Радикал-М160" с холодным катодом и замкнутым дрейфом электронов, формирующим пучок ионов рабочего вещества диаметром 160 мм, распространяющийся в камере до стола-подложкодержателя.

Физические принципы формирования пучков ионов инертных и химически активных газов в источниках ионов с холодным катодом и замкнутым

дрейфом электронов были описаны ранее, например, в работах [4—6].

Отличием многопучкового источника ионов является то, что в каждой его ячейке реализован дрейф электронов в скрещенных электрическом Е и магнитном В полях в промежутке катод-анод размером порядка ларморовского радиуса электронов. Ионизация практически любых рабочих веществ обеспечивается высокоэнергетичными электронами, ускоряемыми в специально организованной потенциальной "яме" и в локализованных скрещенных электрическом Е и магнитном В полях, обеспечивающих максимальное изменение энергии электронов в промежутке анод-катод. Удержание электронов в промежутке катод-анод осуществляется скрещенными электрическим Е и магнитным В полями, потенциальной ямой и линзообразным магнитным полем пробочной конфигурации. При этом удалось реализовать одинаковые электрофизические и геометрические параметры в каждой ячейке.

Принципиальная схема многопучкового источника ионов представлена на рис. 3.

Конструктивно многопучковый источник ионов состоит из ускоряющего электрода (катод 1), электрода со штырями (катод 2), соосными с отверстиями в аноде и ускоряющем электроде, и анода, расположенного между ними. На анод, изолированный кольцевыми изоляторами, подается высокое напряжение, а электрод со штырями и ускоряющий электрод находятся под потенциалом земли. Магнитное поле создается соленоидом. Катоды (1 и 2) и

I

К откачному агрегату

Рис. 2. Схема технологической вакуумной камеры установки РИЛНТ.

Изоляторы

Ускоряющий электрод (Катод 1)

Анод

Изоляторы

Штырьевой электрод (Катод 2)

Соленоид ш

- Кожух

(Магнитопровод)

Рабочее вещество

Рис. 3. Принципиальная схема многопучкового источника ионов.

кожух являются магнитопроводом. Извлечение ионов и формирование пучка ионов осуществляются ускоряющим электродом.

На рис. 4 представлен вид на источник ионов "Радикал-М160", установленный на рабочей камере установки РИЛНТ

В качестве рабочих веществ могут использоваться как инертные, так и химически активные газы. Рабочие газы подаются в источник ионов через два регулятора расхода газа с пропускной способностью от 0 до 100 ст. см3/мин при нормальном давлении. Два регулятора необходимы для управления соотношением потоков двух различных газов при работе со смесями газов. Третий аналогичный регулятор расхода газа предназначен для подачи газа в объем рабочей камеры (в область стола-подложкодержа-теля) для обеспечения независимой работы источника ионов и ВЧ-разряда в области подложки.

Перед технологическим процессом рабочая вакуумная камера откачивается до предварительного вакуума 5 х 10-4 Па, рабочее давление устанавливается в диапазоне (10-2—10-1) Па.

ВЧ-ввод, оснащенный столом для крепления обрабатываемых подложек, расположен напротив источника ионов "Радикал-М160" и закреплен на другом фланце рабочей камеры (рис. 5).

Стол-подложкодержатель диаметром 125 мм охлаждается водой и на него подается ВЧ потенциал. На столе-подложкодержателе могут крепиться 2 подложки из ситалла размером 48 х 60 мм или 1 кремниевая пластина диаметром 75 мм или 1 кремниевая пластина диаметром 100 мм.

Расстояние от источника ионов "Радикал-М160" до стола-подложкодержателя может изменяться в пределах (80—120) мм за счет перемещения ВЧ-ввода.

Источник ионов "Радикал-М160" и ВЧ-ввод со столом-подложкодержателем крепятся на фланцах с петлями, которые позволяют не только открывать фланцы, но и разворачивать их из вертикального положения в горизонтальное, что создает удобства при загрузке и выгрузке подложек.

Для измерения давления в рабочей камере используется баратрон, основными достоинствами которого являются высокая точность измерений (менее 1%), возможность работы с химически активными веществами и независимость измерений от рода газа.

В состав стойки электропитания агрегата откач-ного входят блоки электропитания и управления всеми узлами вакуумной системы установки с безмасляной откачкой.

Рис. 4. Источник ионов "Радикал-М160".

Стойка электропитания технологических устройств включает в себя:

Рис. 5. Вид на стол-подложкодержатель рабочей камеры установки РИЛНТ.

Рис. 6. Общий вид установки РИЛНТ.

— блок электропитания и управления источника ионов "Радикал-М160" (регулируемое напряжение до 3 кВ, мощность до 3 кВт);

— блок электропитания и управления соленоида для источника ионов "Радикал-М160" (регулируемое напряжение до 30 В, ток до 10 А);

— ВЧ-генератор (частота 13.56 МГц, выходная мощность 600 Вт при нагрузке в 50 Ом) и устройство согласования ВЧ-генератора и ВЧ-ввода;

— многоканальный электронный блок питания, индикации и регулирования (4 канала по расходу газа, 1 канал по давлению — для баратрона).

Общий вид разработанной установки РИЛНТ представлен на рис. 6.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 7 и 8 приведены полученные на установке РИЛНТ зависимости тока разряда от напряжения разряда и от и

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