Материал: Sb96853

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО РАСПЫЛЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ И РАДИОФОТОНИКИ

Учебное пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2018

1

УДК 621.3.049.77(07)

ББК В333я7

А64

Авторы: А. А. Семенов, П. Ю. Белявский, А. А. Никитин,

И. Л. Мыльников.

А64 Анализ технологических режимов ионно-плазменного распыления в технологии устройств электроники и радиофотоники: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2018. 36 с.

ISBN 978-5-7629-2340-8

Рассмотрены основные темы практических занятий по курсу «Процессы микро- и нанотехнологии». Приводится краткое описание физических моделей корпускулярного взаимодействия с твердым телом и аналитического подхода к рассмотрению физических процессов, протекающих при осаждении и травлении пленок в результате ионно-плазменного распыления. Приведена методика расчета технологических режимов процесса осаждения пленок, на основе которого составляются рекомендации для реальных технологических процессов. Содержатся необходимые справочные сведения и характеристики элементов для проведения расчетов.

Предназначено для подготовки магистров по образовательным программам «Физическая электроника» и «Радиофотоника» по направлению 210100 «Электроника и микроэлектроника»; может быть полезно аспирантам и научным работникам, специализирующимся в области ионно-плазменной технологии устройств электроники и радиофотоники.

УДК 621.3.049.77(07)

ББК В333я7

Рецензенты: Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет (проректор по науке, проф., чл.-кор. РАН А. Е. Жуков); канд. физ.-мат. наук, доц. О. В. Пахомов (ФГАОУ ВО «СанктПетербургский национальный исследовательский университет ИТМО»).

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

2

ВВЕДЕНИЕ

Втехнологических процессах формирования и обработки тонких пленок

всовременной электронике и радиофотонике применяются разнообразные физические и химические методы, жидко-, газофазные и вакуумные процессы. Одним из наиболее прогрессивных направлений в технологии тонких пленок является применение корпускулярно-фотонных методов обработки конденсированных сред. Корпускулярно-фотонная технология охватывает физические процессы с участием ионных, электронных, нейтральных уско-

ренных потоков, низкотемпературной плазмы и фотонных воздействий лазерного, рентгеновского и других излучений. Совокупность заряженных и нейтральных частиц, обладающих энергией, существенно превышающей тепловую, масса покоя которых не равна нулю, объединяется понятием корпускула [1]. Различие потоков частиц и фотонов основывается на определении фотона как квантовой частицы, обладающей высокой энергией и массой покоя, равной нулю. Такие частицы как ион, электрон, ускоренные атомы, молекулы и радикалы имеют ненулевую массу покоя.

В данном учебном пособии рассматриваются процессы, в которых целенаправленно применяется ионное воздействие на твердое тело и газоразрядная плазма для получения тонких пленок. На основе ионно-плазменных методов разработана наиболее значительная часть всех технологических процессов формирования тонкопленочных структур, применяемых как в промышленном производстве, так и для проведения научных исследований. Важными достоинствами метода ионно-плазменного распыления (ИПР) являются гибкая управляемость технологическими режимами, чистота процесса, высокие эксплуатационные свойства получаемых пленок, отличная воспроизводимость и надежность технологического оборудования.

Основной задачей практических занятий, на которых изучаются особенности ионно-плазменной технологии, является ознакомление студентов с методикой проведения последовательного анализа стадий процесса ИПР и оценочного расчета режимов технологических ионно-плазменных процессов. Данное учебное пособие позволяет студентам проследить взаимосвязь многих понятий молекулярной физики, физики плазмы и твердого тела с технологическими процессами микроэлектроники.

3

1. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИОННЫХ ПОТОКОВ И ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ

1.1. Динамика упругих бинарных столкновений

Взаимодействие энергетичных ионов с твердыми телами можно описать при помощи потенциала ион-атомного взаимодействия [2]. На этом основывается теория, описывающая пробег иона в твердом теле и его взаимодействие

сатомами мишени. Рассмотримпуть ионапри ионнойбомбардировке(рис. 1.1).

Влабораторной системе координат (рис. 1.2) этот процесс можно описать следующим образом. Имеется энергетическая частица с массой М1, скоро-

стью v0 и энергией Е0, а также непо-

движная частица (атом мишени) с массой М2. После столкновения происхо-

дит перераспределение энергий, изменяется скорость как частицы, так и атома мишени, а также происходит отклонение частиц на углы θ и φ [3].

Сохранение энергии и импульса определяетсяследующимивыражениями:

где М1 – масса налетающей частицы; v0 – скорость налетающей частицы; М2 – масса атома мишени; v1 и v2 – скорости после столкновения.

Рис. 1.2

4

Решив систему уравнений (1.1)–(1.3), получаем:

(M2v2 )2 (M1v0)2 (M1v1)2 2M12v0v1 cos .

Следующее выражение показывает соотношение скоростей до и после столкновения:

Можно рассмотреть два случая [4]:

1. Масса снаряда больше массы атома мишени. В таком случае макси-

мальный угол рассеяния определяется по формуле

Угол рассеяния не может быть больше π/2, так как при этом соотношение скоростей v0/v1 станет отрицательным. Сюда же можно отнести случай,

когда массы равны.

2. Масса снаряда меньше атома мишени. В этом случае угол рассеяния находится в диапазоне 0…180°. Можно определить соотношение энергий до и после столкновения:

где Tmax – максимальная доля энергии при лобовом столкновении, т. е. когда

угол рассеяния равен 0.

Энергетические ионы взаимодействуют не с отдельными атомами мишени, а со всеми в совокупности. Из-за большого числа взаимодействий встает вопрос: сколько энергии будет передано и каким будет угол рассеяния. Этот процесс описывается дифференциальным сечением рассеяния. Оно описывает вероятность передачи энергии в интервале T + dT атому мишени, либо вероятность рассеяния атома на некоторый угол.

5