ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАЗМЕННОГО НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ЭМИССИОННЫХ СТРУКТУР

наноэлектроники. Принцип точечной обработки участка поверхности лазерным пятном с размерами 0,1 мм со скоростью сканирования 0,1 мм/с не удовлетворяет требованию по производительности.

Заменой описанных методов при производстве солнечных элементов может служить сухое травление, в частности так называемое безмасочное (или автомасочное) реактивное ионное травление (РИТ) (maskless RIE, automask RIE). Интеграция РИТ в производство солнечных элементов является современной тенденцией. Термин «черный кремний», или «РИТ-трáва» (RIEgrass), пришел в середине 90-х гг. XX в. из микроэлектронного кремниевого производства как негативный эффект процесса РИТ кремниевых пластин большой площади. В то же время низкая отражательная способность такой поверхности вызвала высокий интерес со стороны разработчиков и производителей кремниевых солнечных элементов. Однако безмасочность РИТ - главный его недостаток. Явлениями, приводящими к локальному автомаскированию, достаточно сложно управлять. В этом состоит причина невоспроизводимости и неравномерности процесса как по пластине, так и от пластины к пластине.

Использование ионно-лучевого облучения поверхности различных вспомогательных слоев для формирования наноструктурированной маски с последующим высокоселективным РИТ функционального слоя является дальнейшим этапом развития технологии нано-структурирования. Данный принцип наноструктурирования применим для любых материалов, способных переходить в новое состояние при облучении ионными пучками. Переход в новое состояние при облучении ионными пучками позволяет самоформировать наноструктурированные маски для последующего наноструктурирования функционального слоя при использовании процессов высокоселективного прецизионного травления с применением газовых смесей HBr-O2, Cl2-O2 в реакторах с ТСР-источником плотной плазмы. Примеры наноструктурированной поверхности кремния приведены на рис. 1.

а б

Рис.1. Наноструктурированные массивы различной морфологии: а - массивы «хребтов»; б - массивы «игл»

Цель настоящей работы - исследование технологии плазменного наноструктурирования кремния для формирования высокоэффективных эмиссионных структур, применяемых в приборах наноэлектроники. Для исследований использовались 100-мм высоколегированные Si-подложки с тонким термическим окислом (20-40 нм). Для наноструктурирования применялась технология формирования наноструктурированной сверхтонкой металлической маски и перенос полученного рисунка в нижележащий слой с использованием разработанных процессов РИТ. Данная технология относится к методикам самоформирования, так как эффект наноструктурирования достигается за счет комплекса физических процессов без применения литографических операций.

Разработан следующий маршрут наноструктурирования:

1) нанесение слоев металлов (Ti, Ni, Cr и др.) наноразмерной толщины на поверхность Si/SiO2;

2) вакуумно-термический отжиг, обеспечивающий формирование наноразмерных кластеров;

3) сверхселективное прецизионное сухое травление;

4) химическое удаление маски.

Аспектное соотношение (АС) - отношение высоты структурного элемента к его ширине - наноструктурированного кремния управляется за счет варьирования толщины металлического слоя, параметров отжига и режимов сухого травления. Исследуемая методика рассматривается как инструмент для повышения эффективности автоэмиссионных катодов на углеродных нанотрубках (УНТ). В этом случае высокоаспектное на-ноструктурирование кремния решает следующие задачи:

- увеличение площади контактирования УНТ с проводящей поверхностью кремния либо другого проводящего слоя;

- улучшение адгезии формируемых пучков УНТ в таких структурах;

- повышение теплопередачи от УНТ к кремнию, что также улучшает характеристики формируемых УНТ автоэмиссионных катодов.

В процесс наноструктурирования кремния входит формирование наноструктуриро-ванной маски. В основе процесса лежит кластерообразование, проходящее при вакуум-но-термическом отжиге [5-7]. Размеры кластеров и расстояние между ними зависят от ряда факторов:

- толщины тонкой металлической пленки и характеристики самого материала;

- температуры и длительности отжига, обеспечивающего образование кластеров из нанесенной пленки;

- состояния нижележащего функционального слоя, определяющего коэффициент поверхностного натяжения кластера.

Размер кластера зависит прямо пропорционально от коэффициента поверхностного натяжения и обратно пропорционально от температуры. На коэффициент поверхностного натяжения можно влиять, применяя специальные плазменные обработки, входящие в стадию вакуумно-термического отжига. В частности, плазменная обработка в среде кислорода повышает гидрофильность поверхности, а в водородсодержащей среде - гидрофобность. Эти обработки можно включать в процесс отжига для формирования кластеров из тонкой металлической пленки, управляя тем самым параметрами структурирования.

Наноструктурирование кремния включает в себя процесс прецизионного сухого

. *

травления нижележащих слоев (SiO2, Si3N4, Si, Si , a-Si и др.), который успешно реализуется на современном оборудовании плазмохимического травления. Основные физико-химические механизмы и физические принципы процессов прецизионного переноса изображения отражены, например, в работах [8, 9]. С учетом требуемых параметров процесса наноструктурирования кремния и использования в качестве маски нанораз-мерных кластеров разработан двухстадийный процесс травления кремния в реакторе плотной плазмы с ТСР-источником: 1 стадия - травление SiO2 (Si3N4) с использованием рабочей газовой смеси CHF3-CF4-He; 2 стадия - травление Si (Si , a-Si) с использованием газового состава Cl2-O2-CF4. Примеры протравленных областей наноструктурированного кремния представлены на рис. 2 и 3.

Рис.2. Травление через маску № толщиной 5 нм

Рис.3. Травление через маску № толщиной 7 нм

В ходе исследований выявлена возможность управления плотностью рисунка маски в зависимости от толщины слоя никеля d от 2 до 10 нм и длительности отжига. Установлено, что увеличение толщины слоя и увеличение длительности отжига обеспечивают более разреженный рисунок маски. Это позволяет создать, в свою очередь, высокоаспектный (АС до 10:1) наноструктурированный массив кремния с расстоянием между столбами, достаточным для обеспечения в дальнейшем синтеза УНТ внутри кремниевой структуры. Наноструктурированный массив кремния и массив УНТ, выращенный на структурированном кремнии, представлены на рис.2-4.

Для синтеза массива УНТ на поверхности наноструктурированного кремния предварительно наносился каталитический слой, проводились ионная обработка для удаления катализатора в верхней части структуры и синтез УНТ методом плазмостимулированного химического парового осаждения (ПС ХПО) на установке NanoFab 800 Agile (платформа PlasmaLab System 100, Oxford Instr, UK).

В процессе исследований проведены измерения эмиссии двух модификаций образцов с массивами УНТ, синтезированных на наност-руктурированном кремнии. Измерения проводились на высоковакуумном стенде, оснащенном системой прецизионного позиционирования электрода - анода по трем осям с точностью до 50 нм. Методики синтеза и эмиссионных измерений эмиссии описаны в работе [10]. Первая

модификация - массив, синтезированный на гладкой поверхности кремния. ВАХ такого образца показана на рис.5,а. Порог эмиссии наступает при 30 В/мкм.

Вторая модификация - массивы, выращенные на наноструктурированном кремнии. ВАХ образца представлена на рис.5,б. В такой конфигурации порог эмиссии начинается при 20 В/мкм. Наблюдается увеличение эмиссионного тока в несколько раз, а также повышение стабильности эмиссии.

Таким образом, при наноструктурировании поверхности кремния, на который осаждается массив УНТ, значительно уменьшаются пороговые напряжения и увеличиваются эмиссионные токи. Это позволит создавать эмиссионные приборы наноэлектро-ники на УНТ с более высокими рабочими характеристиками. В ходе дальнейших исследований планируется оптимизировать геометрические параметры таких структур для достижения лучших электрофизических характеристик.

Рис.4. Изображение массива УНТ на наноструктурированной поверхности кремния

Рис.5. ВАХ образцов: а - со сплошным массивом УНТ на гладкой поверхности кремния, расстояние от поверхности массива до электрода (анода) 3 мкм; б - с массивом на структурированном кремнии, расстояние до анода 6 мкм

Проведенные исследования показали возможность получения управляемого нано-структурирования кремния с применением технологий кластерообразования и высокоселективного анизотропного процесса сухого травления, а также эффективность применения технологии наноструктурирования для повышения электрофизических характеристик эмиссионных элементов устройств вакуумной наноэлектроники.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках выполнения государственного задания «Организация проведения научных исследований».

Литература

1. Фемтосекундное наноструктурирование кремниевых поверхностей / С.В. Заботнов, Л.А. Головань, И.А. Остапенко и др. // Письма в ЖЭТФ. - 2006. - Т. 83. - Вып. 2. - С. 76-79.

2. Ашиккалиева К.Х. Лазерно-стимулируемые периодические структуры на поверхности монокристаллического кремния // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2013. - №10. -С. 21-24.

3. Формирование аморфно-кристаллических композиций кремния путем облучения тяжелыми ионами / Д.И. Тетельбаум, В.Г. Шенгуров, Д.В. Шенгуров и др. // Поверхность. - 1998. - №5. - С.34-37.

4. Дислокационная люминесценция, возникающая в монокристаллическом кремнии после имплантации ионов кремния и последующего отжига / Н.А. Соболев, A.M. Емельянов, В.И. Сахаров и др. // ФТП. - 2006. - Т. 41(5) . - С.555-557.

5. Расчет параметров нуклеации кластеров катализаторов для синтеза углеродных нанотрубок / С.В. Булярский, А.С. Басаев, В.А. Галперин и др. // Изв. вузов. Электроника. - 2010. - №3(83). -С. 38-44.

6. Термодинамика формирования кластеров катализаторов для роста углеродных нанотрубок / С.В. Булярский, А.С. Басаев, В.А. Галперин и др. // Изв. вузов. Электроника. - 2010. - №1(81). С. 50-57.

7. Флуктационные явления в пленках никеля нанометровой толщины вблизи температуры плавления / Д.Г. Громов, Г.П. Жигальский, А.В. Карев и др. // Изв. вузов. Электроника. - 2010. - №3(83). - С. 31-38.

8. Галперин В.А. Использование методов экспериментального и численного моделирования для исследования процесса сухого травления канавок в кремнии // Изв. вузов. Электроника. - 2011. - №3(89). -С. 26-34.

9. Галперин В.А., Разживин Н.А. Исследование процесса плазменного формирования поликремниевой разводки на сложном рельефе // Изв. вузов. Электроника. - 2010. - №1(105). - С. 11-17.

10. Влияние морфологии массивов УНТ на плотность тока матриц автоэлектронных эмиттеров / В.А. Галперин, А.А. Жуков, А.А. Павлов и др. // Изв. вузов. Электроника. - 2013. - №5(103). - С. 58-64.

Статья поступила 10 апреля 2014 г.

Галперин Вячеслав Александрович - кандидат технических наук, начальник лаборатории перспективных процессов НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: современные плазменные технологии и системы обработки, технологии микро- и наноэлектроники, солнечная энергетика.

Павлов Александр Александрович - кандидат технических наук, начальник отдела разработки и исследования микро- и наносистем Института нанотехнологий микроэлектроники РАН. Область научных интересов: технологии самосовмещения и самоформирования, CVD/PECVD-процессы в микро- и наноэлектронике.

Шаманаев Артемий Андреевич - младший научный сотрудник НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: вакуумные системы, устройства синтеза углеродных структур методами CVD и PECVD, исследование эмиссионных свойств различных материалов. E-mail: artemiy.shamanaev@tcen.ru

Кицюк Евгений Павлович - младший научный сотрудник НПК «Технологический центр» (г. Москва), аспирант кафедры материалов функциональной электроники МИЭТ. Область научных интересов: технологии наноэлектроники, вторичные элементы питания на основе УНТ.

Информация для читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»

Вы можете приобрести журналы за 2014 г. в редакции. Стоимость одного номера- 800 руб. (с учетом всех налогов и почтовых расходов).

Адрес редакции: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ, комн. 7231.

Тел.: 8-499-734-62-05. E-mail: magazine@miee.ru http://www.miet.ru/structure/s/894/e/12152/191

Г

л

V

J

УДК 004.942

Моделирование Bosch-процесса травления микро- и наноструктур

Р.А. Мухамадеев, Т.И. Данилина, П.Е. Троян

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Представлены возможности моделирования Bosch-процесса травления микро- и наноструктур с помощью программы NEMO ETCHING. В основе программы лежит оригинальный гибридный алгоритм, основанный на методе Монте-Карло и клеточно-графовой аппроксимации модели струны. Показано, что использование данного алгоритма резко повышает производительность модели без потери точности. Проведена калибровка модели травления под реальный эксперимент Bosch-травления. Сравнение результатов моделирования и реального эксперимента выявило высокую точность модели.

Ключевые слова: травление микро- и наноструктур; Bosch-процесс; программный продукт; метод Монте-Карло; клеточно-графовая аппроксимации модели струны.

В настоящее время в микро- и наносистемной технике для получения глубоких тренчей широко применяется Bosch-процесс, где реализуется цикличная последовательность операций травления и осаждения для создания высокоаспектных тренчей (более чем 30:1). При этом достигается высокая скорость травления (более 10 мкм/мин) и высокая селективность (более 150:1 для SiO2) [1].

Один из способов изучения влияния технологических параметров процесса на профиль поверхности - экспериментальное исследование. Однако оборудование и материалы для глубокого реактивно-ионного травления дороги, а эксперименты сопряжены с большими временными затратами. Другой способ - разработка программных продуктов для моделирования Bosch-процесса. На сегодняшний день за рубежом разработано несколько программных комплексов для моделирования процессов осаждения и травления, например Silvaco TCAD, Synopsys TCAD, SPEEDIE, SAMPLE, MODERN, DEER и т.д. Наибольший интерес представляет Synopsys TCAD, в частности модуль Sentaurus Topography, который позволяет моделировать процессы травления и осаждения (различные вариации газофазного осаждения, жидкостное травление, реактивно-ионное травление, ионное распыление и т.д.). Однако стоимость данного программного обеспечения, как и других, высока, и практически все программные модули не позволяют непосредственно моделировать Bosch-процесс (необходимо с помощью текстового командного файла эмулировать шаги осаждения и травления). Также стоит отметить, что некоторые программные продукты являются коммерчески недоступными, т.е. входят в список стратегически важных объектов США.

Программа NEMO ETCHING. Программный продукт NEMO ETCHING основан на методе Монте-Карло и клеточно-графовой аппроксимации метода струны [2]. Программа позволяет моделировать такие процессы травления, как жидкостное, ионное,

© Р.А. Мухамадеев, Т.И. Данилина, П.Е. Троян, 2014