Расчет параметров и моделирование системы ионной обработки в вакууме

Введение. Определение физических и геометрических характеристик плазмы – актуальная задача ионно-плазменных процессов в производстве микро- и наноэлектроники. Энергия ионов, характер взаимодействия с материалами определяют эффективность технологии. Глубина проникновения, импульс иона влияют на коэффициент распыления (Y) материала, являющийся ключевым параметром элионных технологий. Изменение формы ионного пучка влияет на плотность распределения ионов. Ранее проводились исследования изменения конструкции ионного источника для придания пучку кольцевой формы и формы, близкой к распределению Гаусса. Изменение конструкции ионного источника – трудоемкий и дорогостоящий процесс, альтернативным вариантом является использование внешних магнитных систем. Цель работы. Определение физических параметров системы ионной обработки подложек и функциональных слоев для изделий микро- и наноэлектроники. Материалы и методы. Исследования проводятся на кафедре "МТ-11" МГТУ им. Н. Э. Баумана. Исследуемым материалом является кремний и ионы аргона. Технологическое оборудование представлено вакуумной установкой МВТУ-11-1МС. Исследование поперечного скола проводится на микроскопе CROSSBEAM 550. Индукция магнитного поля определяется миллитесламетром ТП2-2У. Результаты. Расчеты и экспериментальные исследования показали, что минимальный Y равен 0.03 атом/ион при энергии 0.05 кэВ, максимальный – 1.35 атом/ион при 7 кэВ, далее происходит уменьшение Y до 1.05 атом/ион при 250 кэВ за счет внедрения ионов в структуру. Внешняя магнитная система источника позволяет изменять угол конусности пучка, что повышает концентрацию ионов в определенной точке на подложке, следовательно, увеличивает эффективность процесса. Заключение. Апробирована методика расчета энергии ионов Ar⁺ для кольцевого источника ионов при травлении подложки Si. Обработка результатов эксперимента позволила рассчитать Y. Полученные выражения для магнитного поля и распределения магнитных полей будут использованы при моделировании дополнительной внешней магнитной системы, изменяющей форму пучка ионов.

1. Плазменная технология в производстве СБИС / Д. Толливер, Р. Новицки, Д. Хесс и др.; под ред. Н. Айнспрук, Д. Браун, Е. С. Машкова; пер. с англ. Ю. М. Золотарева, В. В. Юдина. М.: Мир, 1987. 469 с.

2. Киреев В. Ю., Данилин Б. С., Кузнецов В. И. Плазмохимическое и ионно-химическое травление микроструктур. М.: Радио и связь, 1983. 126 с.

3. Ивановский Г. Ф., Петров В. И. Ионно-плазменная обработка материалов. М.: Радио и связь, 1986. 230 с.

4. Виноградов Г., Медников К. XORS-200А – базовый модуль травления для массовых производств 65–32 нм // Электроника: наука, технология, бизнес. 2022. № 5. С. 42–48. doi: 10.22184/1992-4178.2022.216.5.42.48

5. Брыкин А. Причины системных проблем в развитии радиоэлектронной и электронной промышленности России. Ч. 4: Конец 1970-х – начало 2000-х годов // Электроника: наука, технология, бизнес. 2021. № 7. С. 82–94. doi: 10.22184/1992-4178.2021.208.7.82.94

6. Запевалин А. И. Обзор высокоаспектных процессов травления кремния // Современная техника и технологии. 2014. № 6. URL: https://technology.snauka.ru/2014/06/3970 (дата обращения: 23.06.2025).

7. Лютович А. С. Ионно-активированная кристаллизация пленок. Ташкент : Фан, 1982. 148 с.

8. Панфилов Ю. Нанесение тонких пленок в вакууме // Технологии в электронной промышленности. 2007. № 3. С. 76–80.

9. Купцов А. Д. Разработка системы отклонения источника ионов // Перспективные материалы и высокоэффективные процессы обработки: сб. науч. тр. по материалам III Всерос. молодежной конф., Саратов, 22–23 мая 2024 г. Саратов: Саратов. гос. техн. ун-т им. Гагарина Ю. А., 2024. С. 134–136.

10. Babushkin A. S., Uvarov I. V., Amirov I. I. Effect of low-energy ion-plasma treatment on residual stresses in thin chromium films // Technical Physics. 2018. Vol. 63, № 12. P. 1800–1807. doi: 10.1134/S1063784218120228

11. Sigmund P. Theory of sputtering. I. Sputtering yield of amorphous and polycrystalline targets // Physical review. 1969. Vol. 184, № 2. С. 383–416. doi: 10.1103/PhysRev.187.768

12. Behrisch R. Sputtering by particle bombardment I. Physical sputtering of single-element solids. Berlin, Heidelberg: Springer, 1981. 284 p. doi: 10.1007/3-540-10521-2

13. Andersen H. H., Bay H. L. Sputtering yield measurements // Sputtering by Particle Bombardment I: Physical Sputtering of Single-Element Solids. Berlin, Heidelberg: Springer, 2005. P. 145–218. doi: 10.1007/3540105212_9

14. Absolute sputtering yield of Ti/TiN by Ar+ /N+ at 400–700 eV / R. Ranjan, J. P. Allain, M. R. Hendricks, D. N. Ruzic // J. of Vacuum Science & Technology A. 2001. Vol. 19, № 3. P. 1004–1007. doi: 10.1116/1.1362678

15. Eckstein W. Sputtering yields // Vacuum. 2008. Vol. 82, iss. 9. P. 930–934. doi: 10.1016/j.vacuum.2007.12.004

16. Данилин Б. С. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. М.: Энергоатомиздат, 1989. 326 с.

17. Design of a liquid-phase magnetron sputtering small-sized source for the vacuum coating system MVTU-11-1MS / A. D. Kouptsov, D. D. Vasilev, S. V. Sidorova, K. M. Moiseev // J. of Physics: Conf. Ser. 2021. Vol. 1799, № 1. Art. № 012016. doi: 10.1088/1742-6596/1799/1/012016

18. Zalm P. C. Energy dependence of the sputtering yield of silicon bombarded with neon, argon, krypton and xenon ions // J. of Applied Physics. 1983. Vol. 54, № 5. P. 2660–2666. doi: 10.1063/1.332340

19. Gschneider K. A. Specific-heats of graphite in tercalation compounds // Solid State Physics. 1964. Vol. 16, № 4. P. 275–282.

20. Andersen H. H., Bay H. L. Heavy‐ion sputter ing yield of silicon // J. of Applied Physics. 1975. Vol. 46, № 5. P. 1919–1921. doi: 10.1063/1.321889

21. Wilson W. D., Haggmark L. G., Biersack J. P. Calculations of nuclear stopping, ranges, and straggling in the low-energy region // Physical Review B. 1977. Vol. 15, № 5. Art. № 2458. doi: 10.1103/PhysRevB.15.2458

22. Tachi S., Miyake K., Tokuyama T. Chemical and Physical Roles of Individual Reactive Ions in Si Dry Etching // Japanese J. of Applied Physics. 1982. Vol. 21, № S1. С. 141.

23. Kirschner J., Etzkorn H. W. Sputtering of amor phous silicon films by 0.5 to 5 keV Ar+ ions // Applications of Surface Science. 1979. Vol. 3, № 2. P. 251–271. doi: 10.1016/0378-5963(79)90024-2

24. Coburn J. W., Winters H. F., Chuang T. J. Ion‐ surface interactions in plasma etching // J. Appl. Phys. 1977. Vol. 48. P. 3532–3540. doi: 10.1063/1.324150

25. The sputtering of PtSi and NiSi / J. M. Poate, W. L. Brown, R. Homer, W. M. Augustyniak, J. W. Mayer, K. N. Tu, W. F. van der Weg // Nuclear Instruments and Methods. 1976. Vol. 132. P. 345–349. doi: 10.1016/0029-554X(76)90756-4

26. Southern A. L., Willis W. R., Robinson M. T. Sputtering Experiments with 1‐ to 5‐keV Ar+ Ions // J. Appl. Phys. 1963. Vol. 34. P. 153–163. doi: 10.1063/1.1729057

27. Blank P., Wittmaack K. Energy and fluence de pendence of the sputtering yield of silicon bombarded with argon and xenon // J. Appl. Phys. 1979. Vol. 50, № 3. P. 1519–1528. doi: 10.1063/1.326140

28. Wittmaack K., Poker D. B. Interface broaden ing in sputter depth profiling through alternating layers of isotopically purified silicon: I. Experimental results // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 1990. Vol. 47, № 3. P. 224–235.

29. Near threshold sputtering of Si and SiO2 in a Cl2 environment / D. J. Oostra, R. P. van Ingen, A. Haring, A. E. de Vries, G. N. A. van Veen // Applied Phys ics Let. 1987. Vol. 50, № 21. P. 1506–1508. doi: 10.1063/1.97814

30. LaegreidN., Wehner G. K. Sputtering yields of metals for Ar+ and Ne+ ions with energies from 50 to 600 eV // J. of Applied Physics. 1961. Vol. 32, № 3. P. 365–369. doi: 10.1063/1.1736012

31. Sputtering Data / W. Eckstein, C. Garcı´a Rosales, J. Roth, W. Ottenberger. Garching: M@:unchen, 1993. 342 p.

32. Gerlach-Meyer U., Coburn J. W., Kay E. Ion enhanced gas-surface chemistry: The influence of the mass of the incident ion // Surface Science. 1981. Vol. 103, № 1. P. 177–188. doi: 10.1016/0039-6028(81)90106-0

33. Robinson M. T., Oen O. S. The channeling of energetic atoms in crystal lattices // Appl. Phys. Let. 1963. Vol. 2, № 2. P. 30–32. doi: 10.1063/1.1753757

34. EerNisse E.P. Sputtering and strain of silicon by ion implantation // J. of Applied Physics. 1971. Vol. 42. P. 480–482. doi: 10.1063/1.1659630

35. Основы технологии электронной компонентной базы / А. А. Голишников, А. Ю. Красюков, С. А. Поломошнов, М. Г. Путря, В. И. Шевяков; под ред. Ю. А. Чаплыгина. М.: МИЭТ, 2013. 176 с.

36. Weber T. A. Surface Reconstruction of SI (100) // MRS Online Proc. Library (OPL). 1985. Vol. 63. P. 163–166. doi: 10.1557/PROC-63-163

37. Ramstad A., Brocks G., Kelly P. J. Theoretical study of the Si (100) surface reconstruction // Physical Review B. 1995. Vol. 51, № 20. Art. № 14504. doi: 10.1103/PhysRevB.51.14504.

38. Управление формой пучка технологического ионного источника для высокоточной обработки поверхности / Д. В. Духопельников, Е. В. Воробьев, С. Г. Ивахненко, Д. В. Кириллов // Вестн. Моск. гос. техн. ун-та им. Н. Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2017. № 3 (72). С. 24–36. doi: 10.18698/1812-3368-2017-3-24-36