СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ НАНОСТРУКТУР МАТЕРИАЛОВ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ ГАЗОВЫМИ КЛАСТЕРНЫМИ ИОНАМИ Российский патент 2019 года по МПК H01L21/302 B82B3/00 

Изобретение относится к области производства изделий в микро- и наноэлектроники, оптоэлектроники и оптике, при производстве которых степень планаризации, характеризуемая уменьшением шероховатости поверхности, является критическим фактором в улучшении их эксплуатационных параметров.

Функциональность таких изделий зависит от точности методов изготовления, используемых в процессе их формирования, например процессов литографии, травления, и других. Примером такого способа выравнивания поверхности является метод сглаживания боковой стенки структуры с помощью облучения пучком газовых кластерных ионов под углом от 60° до 90° по отношению к нормали к твердой поверхности (WO 2005031838 МПК C23F 4/00; H01J 37/305, опуб. 2005-04-07).

Однако этот способ позволяет сгладить твердую поверхность с неравномерностью (шероховатость поверхности), имеющей площадь порядка десяти нанометров, что не удовлетворяет современный уровень техники.

Известен принятый за прототип способ травления поверхности диэлектрика непрерывным пучком газовых кластерных ионов (GCIB), содержащий удаление из пучка кластерных ионов любого нежелательного ионизирующего излучения (US 2002016079 (А1), МПК H01J 37/147, опуб. 2002-02-07). Указанный способ позволяет проводить эффективное травление площади подложек большого диаметра (200-300 мм или больше).

Однако производительность ускорителя пучка газовых кластерных ионов, определяемая током на мишени (~1 мкА) и длительностью процесса, не является удовлетворительной.

Предлагаемое изобретение решает задачу увеличения производительности ускорителя пучка газовых кластерных ионов.

Поставленная задача решается способом модификации наноструктур материалов электронной техники газовыми кластерными ионами, включающем удаление из пучка кластерных ионов любого нежелательного ионизирующего излучения, новизна которого заключается в том, что пучок газовых кластерных ионов подают в импульсном режиме.

Наиболее технологичным вариантом является осуществление способа при импульсный режиме, в котором облучение осуществляют импульсами тока кластерных ионов на мишень длительностью 150-200 мс при коэффициенте заполнения 0,1-0,25.

Технический результат при этом заключается в увеличении плотности ионного тока на мишени и уменьшение длительности процесса примерно в 2 раза.

Отсутствие источников информации, содержащих ту же совокупность признаков, что и в разработанном способе, сообщает ему соответствие критерию «новизна».

Та же совокупность признаков позволяет получить новый непредсказуемый эффект, увеличение плотности ионного тока на мишени и уменьшение длительности процесса примерно в 2 раза, и, таким образом, сообщает ей соответствию критерию «изобретательский уровень».

Проведение нового способа с использованием известного оборудования сообщает разработанному изобретению соответствие критерию «промышленная применимость».

В Таблице 1 приведены данные по влияния изменения параметров модификации на ее результаты.

Приведенные ниже примеры подтверждают, но не ограничивают применение изобретения.

Пример 1. Модификация поверхности кремния в импульсном режиме подачи газовых кластерных ионов на мишень.

Для проведения модификация поверхности кремния брали стандартные пластины кремния КДБ10 ориентацией [100] диаметром 100 мм и толщиной 500 мкм, покрытые термическим оксидом кремния. Толщина окисленного слоя составляла 150 нм, а шероховатость поверхности пластины до обработки не более 30 нм.

С помощью системы дифференциальной откачки вакуумировали камеру ускорителя пучков газовых кластерных ионов до давления в системе не выше 10^-5 Торр. В качестве рабочего газа использовали аргон (Ar), удаление из пучка атомарных ионов и легких кластеров проводили путем уменьшения расстояния между постоянными магнитами в системе сепарации. Так, уменьшение расстояния между магнитами до 7 мм, позволило отделять из пучка мономеры и кластеры с размером менее 150 атомов в кластере.

Исходные подложки облучали пучком кластерных ионов с сепарацией по массам с энергией 10 кэВ и дозой 5⋅10¹⁶. Облучение проводили в импульсном режиме импульсами тока кластерных ионов на мишень длительностью 150-200 мс при коэффициенте заполнения 0,1-0,25. Для обеспечения планаризации необходимой площади осуществляли непрерывное перемещение образца по меандрообразной траектории. Так как пучок ионов облучает поверхность исходной подложки пятном диаметром ~4 мм, для достижения планаризации требуемой площади в 75 мм² шаг между ветвями меандра составлял 1 мм при непрерывном перемещении по ветви со скоростью 7 мкм/с. Таким образом, общее время планаризации поверхности площадью 75 мм² (без учета настройки системы и юстировки образца) составило около трех часов.

Локальная планарность исследовалась методом атомно-силовой микроскопии.

В результате для достижения шероховатости образца кремния 0,12 нм потребовалось от 128 до 165 минут, в зависимости от длительности импульса.

Производительность ускорителя, определяемая значением ионного тока на мишени составила от 1,5 до 2 мкА.

Пример 2. Модификация поверхности кремния в непрерывном режиме подачи газовых кластерных ионов на мишень.

То же, что в примере 1, только подачу газовых кластерных ионов на мишень осуществляли в непрерывном режиме.

В результате для достижения шероховатости образца кремния 0,12 нм потребовалась 261 минута.

Производительность ускорителя, определяемая величиной ионного тока на мишени, составила 1 мкА.

Как видно из данных приведенных в таблице 1, проведение модификации поверхности образцов кремния пучком газовых кластерных ионов при подаче их в импульсном режиме позволяет увеличить производительность ускорителя примерно в 2 раза.

Пример 3. Модификация поверхности меди в импульсном режиме подачи газовых кластерных ионов на мишень.

В качестве исходных образцов меди для проведения модификации использовали стандартные пластины кремния КДБ10 ориентацией [100] диаметром 100 мм и толщиной 500 мкм, покрытые термическим оксидом кремния и слоем меди толщиной 0,3 мкм, полученного при помощи магнетронного осаждения. Шероховатость поверхности пластины до обработки не более 30 нм.

С помощью системы дифференциальной откачки вакуумировали камеру ускорителя пучков газовых кластерных ионов до достижения давления в системе не выше 10^-5 Торр. В качестве рабочего газа использовали аргон, удаление из пучка атомарных ионов и легких кластеров проводили путем уменьшения расстояния между постоянными магнитами в системе сепарации. Так, уменьшение расстояния между магнитами до 7 мм, позволило отделять из пучка мономеры и кластеры с размером менее 150 атомов в кластере.

Исходные подложки облучали пучком кластерных ионов с сепарацией по массам с энергией 10 кэВ и дозой 5⋅10¹⁶. Облучение проводили в импульсном режиме импульсами тока кластерных ионов на мишень длительностью 150-200 мс при коэффициенте заполнения 0,1-0,25. Для обеспечения планаризации необходимой площади осуществляли непрерывное перемещение образца по меандрообразной траектории. Так как пучок ионов облучает поверхность исходной подложки пятном диаметром ~4 мм, для достижения планаризации требуемой площади в 75 мм² шаг между ветвями меандра составлял 1 мм при непрерывном перемещении по ветви со скоростью 7 мкм/с. Таким образом, общее время планаризации поверхности площадью 75 мм² (без учета настройки системы и юстировки образца) составило около трех часов.

Локальная планарность исследовалась методом атомно-силовой микроскопии.

В результате для достижения шероховатости образца меди 0,25 нм потребовалось от 152 до 179 минут, в зависимости от длительности импульса.

Производительность ускорителя, определяемая значением ионного тока на мишени, составила от 1,5 до 2 мкА.

Пример 4. Модификация поверхности кремния в непрерывном режиме подачи газовых кластерных ионов на мишень.

То же, что в примере 1, только подачу газовых кластерных ионов на мишень осуществляли в непрерывном режиме.

В результате для достижения шероховатости образца меди 0,25 нм потребовалось 312 минуты.

Производительность ускорителя, определяемая величиной ионного тока на мишени, составила 1 мкА.

Как видно из данных приведенных в таблице 1, проведение планиризации поверхности образцов меди пучком газовых кластерных ионов при подачи их в импульсном режиме позволяет увеличить производительность ускорителя в 2 раза.

Таким образом, приведенные выше примеры проведения планиризации поверхности наноструктур материалов электронной техники пучком газовых кластерных ионов в импульсном режиме подтверждают, что предлагаемое техническое решение позволяет не только в уменьшить шероховатость до 012 нм, но и в увеличить производительность ускорителя, определяемую увеличением плотности ионного тока на мишени и уменьшением длительности процесса примерно в 2 раза, достигая значений 2 мкА/128 минут.

Использование: для модификации наноструктур материалов. Сущность изобретения заключается в том, что способ модификации наноструктур материалов электронной техники газовыми кластерными ионами, включающий удаление из пучка кластерных ионов любого нежелательного ионизирующего излучения, при этом пучок газовых кластерных ионов подают в импульсном режиме. Технический результат: обеспечение возможности увеличения производительности ускорителя пучка газовых кластерных ионов. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ модификации наноструктур материалов электронной техники газовыми кластерными ионами, включающий удаление из пучка кластерных ионов любого нежелательного ионизирующего излучения, отличающийся тем, что пучок газовых кластерных ионов подают в импульсном режиме.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при импульсном режиме облучение осуществляется импульсами тока кластерных ионов на мишень длительностью 150-200 мс при коэффициенте заполнения 0,1-0,25.