Возможности и ограничения наноразмерных ионно-лучевых технологий

УДК 537.534.7

М. A. Кузнецова, мл. науч. сотр.,

НОЦ ЦМИД Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ»

Возможности и ограничения наноразмерных ионно-лучевых технологий

Ключевые слова: нано, ионный пучок, ионно-лучевые технологии, воздействие ионного пучка, острая фокусировка. Key words: nano, ionic fascicle, ionic-radial technologies, influence an ionic fascicle, acute focusing.

Представлены результаты комплексного анализа возможностей и ограничений на применение наноразмерного ионного пучка в условиях различных объектов и методик исследований. Изложены методы подавления и компенсации нежелательных факторов воздействия ионного пучка. Приведены примеры применения данной технологии с учетом описанных методик.

Введение

Наноразмерная ионно-лучевая технология получила наибольшее развитие в последние десятилетия благодаря возможности формирования аппаратно-программными средствами остросфокусированных ионных пучков диаметром менее 10 нм. Дополнительными достоинствами ионно-лучевой технологии является возможность локализации на ограниченной площади значительной плотности ионного тока и гибкость бесшаблонного способа управления движением ионного зонда в пространстве и времени.

Технология остросфокусированного ионного пучка реализуется в режимах локального микрофрезерования и прецизионного избирательного ионно-стимулированного травления или осаждения, что позволяет оперативно проводить препарирование, изготовление, реконструкцию микро- и наноразмерных гомогенных и гетерогенных объектов. Управляемость и контролируемость технологии по отношению к объектам различной физико-химической природы, строения, формы и геометрических размеров, их интеграция в рамках одной системы являются отличительными чертами ионно-лучевых технологий [1].

Кроме этого, особенностью ионно-лучевого препарирования и реконструкции микро- и наноразмерных объектов является то, что наряду с реализацией чисто технологических операций с использованием «жестких» (ионное фрезерование) либо «мягких» (селективное ионно-стимулированное травление или осаждение) методов воздействия на объект обработка наблюдается в реальном масштабе времени в микроскопическом режиме, при этом современные сис-

темы интегрируют в рабочей камере ионный и электронные пучки. Последний может использоваться не только для реализации растровой электронной микроскопии, но и для компенсации накопленного статического заряда. Табл. 1, отражающая основные возможные направления использования остро-сфокусированного ионного пучка акцентирует внимание на важнейшем геометрическом параметре, характеризующем пространственное разрешение процесса в рамках решаемых задач.

К сожалению, остросфокусированный (единицы нанометров), высокоэнергетический (десятки киловольт, плотность тока до 103 А/см2) пучок не является «безобидным» и имеются определенные ограничения на его применение для различных классов объектов и методик использования. Исходя из особенностей взаимодействия высокоэнергетических ионных пучков с веществом можно выделить ряд процессов и эффектов, влияющих на конечный результат. При использовании ионного пучка для анализа структуры образца и его модификации необходимо учитывать, что остросфокусированный ионный пучок оставляет ряд артефактов после своего воздействия. Можно выделить семь основных факторов, влияющих на конечный результат: распыление материала при формировании изображения; переосаждение распыленного материала; имплантация ионов галлия и образование радиационных дефектов; аморфизация и перестройка поверхности; образование «складок»; образование «капельной фазы»; образование зоны «смешения» при ионно-стимулированном осаждении слоев. Далее эти факторы будут рассмотрены подробнее.

Целями работы являлись детальный анализ факторов, определяющих качество изображений и структур, получаемых методом остросфокусированного ионного пучка, а также разработка методов подавления и компенсации нежелательных эффектов воздействия. Исследования проводились для установления возможных ограничений на применение данной дорогостоящей методики, которая получила широкое распространение в научно-производственной и образовательной среде в последнее время. Представленные результаты отражают более чем пятилетний опыт работы автора на установке ост-

Таблица 1

Таблица задач, решаемых с применением остросфокусированного ионного пучка [2]

Область применения Рабочее тело (вещество). Параметры Пространственное разрешение

Растровая ионная микроскопия Пучок Ga+, U = 1 - 30 кВ, 1= 1,5 пА- 1,0 нА До 4 нм при 30 кВ

Ионно-лучевое травление Пучок Ga+, ускоряющее напряжение 30 кВ, токи 0,5-20,0 нА Не хуже 0,1 мкм. Аспектное отношение (глубина/ширина) — 1/8 при токах 1 нА

Ионно-стимулированное травление Пучок Ga+, UycK = 30 кВ, токи 0,1-5,0 нА. Источники газообразных XeF2, 12 Точность травления объемных структур не хуже 100 нм

Ионно-стимулированное осаждение материалов Пучок Ga+, U = 30 кВ, 1 = 0,1-5,0 нА. уек Источники соединений Pt, Si02 Не хуже 0,1 мкм, для структур сложной формы отклонение размера от заданного не более 10 %, толщины — не более 25 %

Ионно-лучевая модификация Пучок Ga+, U = 1-30 кВ, 1= 1,5 пА- 20,0 нА Не менее 0,02 мкм при U = 30 кВ

Ионно-лучевая литография Пучок Ga+, U = 1-30 кВ, 1= 1,5 пА- 20,0 нА Литография с использованием резиста — 0,5 мкм, безрезистная литография — 0,1 мкм

Примечание. Параллельно с галлиевыми пучками используются системы на основе Аг и Не, преимуществами которых являются чистота и минимальное загрязнение образца ионами, а недостатком — трудность фокусировки.

росфокусированного ионного пучка Strata FIB 205 хР, а также последние исследования, выполненные на более современной системе Helios Nanolab (FEI Company) с интеграцией в рабочей камере электронного и ионного пучков.

1. Особенности воздействия ионного пучка

Ограничение предельного разрешения изображения из-за распыления материала ионным пучком. При формировании изображений сфокусированным ионным пучком во вторичных электронах возникает ряд фундаментальных ограничений. Одно из них — минимальное время задержки пучка в точке, которое определяет глубину распыления поверхности. Чем выше значение постоянной времени, тем больше распыление образца. Для ИВ-системы на разрешение изображения влияют не только аберрации колонны, яркость источника и т. д., но и необходимость поиска оптимального значения коэффициента получения информации (главным образом вторичных электронов), при котором распыление образца будет минимально. Скорость распыления объектов на поверхности зависит как от самого образца, так и от вида первичных ионов (рис. 1).

Для Оа+ при 30 кВ коэффициент травления £ = 0,2 мкм3/нКл для кремния. Тогда можно записать следующее соотношение

zD¿ =

eSK (1 + 5) fl28 :

(1),

где D — диаметр пучка; е — заряд электрона; S — коэффициент травления; Q — перекрытие пучка;

К — соотношение сигнал/шум (для расчетов использовалось значение 20); 5 — коэффициент вторичной эмиссии; z — толщина удаленного слоя образца за один цикл сканирования.

Формула (1) показывает, что необходимо использовать максимальное значение Q для минимизации удаляемого объема образца во время формирования изображения при заданном К. Если принять z = D; Q = 0,5; К > 21; 5 >2, то

Dmin = 4,23 х 10-7SV3.

Таким образом, при заданных уровнях К, Q, 5 предельное разрешение определяется коэффициентом распыления. Если пожертвовать хорошим соотношением сигнал/шум, то размер объекта, который можно зарегистрировать, уменьшится. В этом случае

Dmin = 2,4 х 10~8S1/3.

Разрешение для Si-подложки: при 0,2 мкм К >21, при 2,0 нм К > 20. При этом толщина слоя,

Время задержки в каждой точке

Размер шага s

N„ шагов

Рис. 1\ Параметры сканирования

Рис. 2

Пересекающиеся поперечные сечения ИМС, полученные: а — с помощью ионного пучка;

б — при дополнительном применении паров вещественный контраст

12, исключающем переосаждение и обеспечивающем

удаленного при сканировании, будет порядка 2,0 нм! Данные цифры говорят о высокой повреждающей способности остросфокусированного ионного пучка, при работе со сверхтонкими слоями (например, подзатворный диэлектрик) требуется соблюдать осторожность и максимально сократить число сканирований пучком при получении изображения. Настройку лучше проводить на периферийных областях.

Переосаждение распыленного материала. При

создании поперечных слоев для анализа внутренней структуры объекта одним из факторов, лимитирующих качество изображений, является повторное осаждение, скрывающее маленькие объекты, так как распыленный материал покрывает окружающую поверхность. Особенно заметно повторное осаждение при создании трехмерных структур. Вокруг, например, созданных отверстий виден четкий валик, его наличие затрудняет точную идентификацию приповерхностных слоев, толщина «заваленного» края может достигать 50 нм. При создании угловых структур запыляются уже сформированные части сечения (рис. 2 и 3).

Чтобы предотвратить появление данного эффекта, требуется использовать пары йода во время травления. Йод реагирует с распыляемым материалом с образованием летучих компонентов, которые откачивают. Также возможно использование защитных платиновых покрытий, предварительно осаждаемых в зоне создания поперечного сечения, таким образом можно сохранить для анализа приповерхностные слои.

Имплантация ионов галлия и образование радиационных дефектов. Первичный галлиевый пучок обладает значительной энергией (ускоряющее напряжение до 30 кВ), его ионы вызывают каскад столкновений в решетке мишени. Это приводит к

накоплению вблизи траектории иона вакансий, меж-доузельных атомов и сложных дефектов (кластеров) (рис. 4, а). По данным оже-спектроскопии, для кремния пик профиля имплантации находится на глубине 30 нм (рис. 4, б).

Данный эффект обязательно требуется учитывать при работе со сверхтонкими слоями — например, с подзатворным диэлектриком, прямое воздействие на него может полностью вывести из строя транзистор. Даже очень небольшие дозы имплантации и образовавшиеся из-за этого радиационные дефекты снижают время жизни неосновных носителей заряда в кремнии, также снижается и подвижность носителей. Из-за этого возможно изменение удельного сопротивления. Таким образом, требуется осторожность при использовании метода остросфокусированного ионного пучка для анализа

Рис. 3

Край отверстия, вытравленного в ОаАв-подложке ионным пучком

Микро- и нанотехнологии в новом технологическом укладе

а) +250 А

о К

н

-250

0

Траектории пробега ионов

\ Л- МЛ.

\ ) , ................

/Ж/А 1ММШ:/

ЖзНда тчгс" V

................"Ч;.................

>.Д

б)

Глубина мишени

500 А

Распределение ионов по глубине Глубина максимума распределения 272 А

I

ТИ

Ч

Глубина мишени

I

5  105

4  105

3  105

2  105

1  105

0

500 А

Рис. 4

Моделирование процесса проникновения ионов галлия в мишень: а — траектории пробега ионов галлия в кремнии; б — распределение ионов по глубине

даже на стадии контроля пластин, например в целях последующего изготовления ИМС. Однако подобные эффекты можно использовать в бесшаблонной ионно-лучевой литографии. Короткое воздействие ионного пучка на предварительно нанесенный резист позволяет получить селективность в травлении материалов кислородной плазмой в несколько раз, т. е. фактически маскирование заданных областей. Такая литография с высокой локальностью дает возможность создавать простые элементы схемы (например, резисторы) уже в рамках готовой, но еще не пассивированной схемы. Кроме этого, имплантация ионов имеет и положительные стороны для улучшения контраста изображения: имп-

Рис. 5

Сформированное ионным травлением поперечное сечение кристалла ИМС. Светлая область отражает образование зоны с «паразитной» имплантацией галлия

лантация галлия делает поверхность более проводящей. Например, модификацию нитридного слоя пассивации часто можно наблюдать вблизи сделанных поперечных сечений. До модификации непроводящий нитрид выглядит темным, тогда как после модификации он светлый. Это говорит о том, что приповерхностный слой стал проводящим за счет имплантации (рис. 5).

Слои нитрида алюминия заметно меняют свою проводимость при воздействии пучка 50—70 пА. Происходит модификация лишь приповерхностного слоя, поскольку при стравливании тонкого слоя (100 нм) с поверхности поперечного сечения эффект исчезает до тех пор, пока срок сканирования не превысит 10—20 с. Сходный эффект наблюдается для органического полиимида (рис. 6).

Аморфизация и перестройка поверхности. Плотности тока остросфокусированного галлиевого пучка значительны и достигают значения (2 + 3)103 А/см2. При столь высоких плотностях тока и дозах облучения всегда происходит формирование аморфных слоев. Тем не менее из-за высоких плотностей тока имплантируемых ионов образцы иногда ощутимо нагреваются, что приводит к увеличению дозы амор-физации и частичному отжигу радиационных дефектов. Анализ методом дифракции быстрых электронов показал, что аморфизованный слой на кремнии имеет толщину до 40 нм. Доза, необходимая для образования аморфного слоя на кремнии, составляет 2 • 1014 см~2, для арсенида галлия — на порядок меньше. Это соответствует времени воздействия порядка 1 мкс. Минимальное время задержки пучка в точке при формировании растра — 0,1 мкс, т. е. уже несколько циклов сканирования в просмотровом режиме приводят к полной

Рис. 6 Поперечное сечение пленки нитрида алюминия на кремниевой подложке с подслоем диоксида кремния: а — до имплантации

Рис. 7 Оптическое изображение поверхности

кремния после длительного воздействия ионного пучка в просмотровом режиме

аморфизации поверхности кремния или арсени-да галлия. Характерным признаком образования аморфизованного слоя является изменение окраски полупроводника. Кремний и арсенид галлия становятся светлее, участки воздействия, если они имеют достаточную площадь, видны невооруженным глазом на полированных пластинах (рис. 7). Перестройка поверхности влияет и на качество изображения во вторичных частицах: под воздействием пучка теряется контраст, вызванный канали-рованием ионов, так как каналы в этом случае блокируются. Эффект каналирования полностью пропадает при достижении дозы аморфизации (рис. 8). При большой дозе воздействия на поверхности возникает слой 0а20з. Он обладает защитными свойствами и при травлении в плазме позволяет получить селективность травления на кремнии.

Рис. 8 Изображение поверхности поликристаллического алюминия при различной длительности наблюдения при помощи ионного пучка: а — отчетливое отображение отдельных кристаллитов за счет эффекта каналирования; б — поверхность образца после длительного сканирования

2. Артефакты воздействия ионного пучка

Образование складок. При создании поперечных сечений возникает ряд артефактов, остающихся после травления ионным пучком. Один из них — это складчатость поверхности — вертикальные полосы на плоскости сечения. Их появление связано с топографией поверхности вышележащих слоев. Полосы возникают в тех случаях, когда есть ступенчатое изменение высоты поверхности образца, или когда сечение проходит через отверстия, пустоты в материале, или когда есть различие в коэффициентах травления, например металлических шин и пассивирующего диэлектрика в ИМС (рис. 9).

Образование «капельной фазы». Еще одним артефактом является характерное только для галлие-вого пучка образование так называемой «капельной фазы» — шариков галлия на поверхности некоторых материалов, имеющих в своей структуре галлий, например арсенида и нитрида галлия. Продол-

жительное воздействие на поверхность среза высокоэнергетического пучка приводит к образованию шариков, на 70 % состоящих из галлия. Иногда они бывают большого размера за счет смыкания близлежащих шариков — до микрона в длину (рис. 10).

Образование зоны «смешения» при ионно-сти-мулированном осаждении. Одна из возможностей, предоставляемых ионным пучком, — ионно-стиму-лированное осаждение материалов из газовой фазы (рис. 11). При ионно-стимулированном осаждении, например платины, структура слоя получается сложной. Нижний слой — аморфизованная поверхность субстрата, на который происходит осаждение, он содержит лишь материал подложки. Далее идет так называемая зона «смешения», состав этого подслоя имеет несколько компонентов. Помимо углерода и платины (платина осаждается из металлоорганического материала) в нем содержатся материал подложки и галлий в значительном количестве. Толщина данного переходного слоя

Рис. 9 Срезы кристалла ИМС, демонстрирующие эффект образования «складок» на поверхности срезов: а — «<складки» по границам проводников из-за сильного изменения высоты; б — видна «<складка» в центральной области как результат резкого изменения коэффициента травления

2

Рис. 10 Срезы ИМС на основе арсенида галлия, демонстрирующие образование «капельной фазы»: а — сразу после создания; б — артефакты длительного сканирования — образование «капельной фазы»; в — агломерация «капель»

Микро- и нанотехнологии в новом технологическом укладе

б)

>

0.2 мкм

Слой переходного состава БЬ—

Аморфизованный слой БЬ

БЬ

Рис. 10

Образование зоны «смешения» при ионно-стимулированном осаждении: а — срез платинового проводника, полученный ионно-стимулированным осаждением; б — срез платины, полученный в просвечивающем режиме

может достигать 30 нм. Формирующийся слой платины уже не будет содержать атомов подложки, хотя углерод тем не менее останется. Наличие такого слоя с измененными из-за примесей электрическими характеристиками следует учитывать при формировании проводников на ИМС. Этот слой накладывает ограничение на толщину минимального слоя платины, который можно сформировать, если требуются хорошие электрические характеристики [3].

Изучение и анализ приведенных выше особенностей воздействия ионного пучка позволили выработать ряд методов воздействия на нежелательные эффекты. Направления оптимизации режимов и подавления возникновения артефактов представлены в табл. 2 [4].

Продолжение табл. 2

Таблица 2

Таблица факторов ограничения и способов оптимизации режимов воздействия остросфокусирован-ного ионного пучка

Фактор ограничения

Направление оптимизации режимов и подавления образования артефактов

Особенности воздействия ионного пучка

Ограничение предельного разрешения из-за распыления материала

Переосаждение

распыленного

материала

Минимизация значения перекрытия пучка в точке растра.

Уменьшение соотношения сигнал/шум.

Выбор участков для контроля с малым коэффициентом распыления

Уменьшение токов распыления

Использование газовой химии, например паров йода.

Использование параллельных процессов при создании резов сложной формы

Фактор ограничения

Имплантация и образование радиационных дефектов

Аморфизация и перестройка поверхности

Направление оптимизации режимов и подавления образования артефактов

• Сканирование и травление под небольшим углом.

• Уменьшение ускоряющего напряжения, по крайней мере при первичном позиционировании и подготовке к травлению.

• Использование защитных сверхтонких металлических пленок

• Использование минимально возможных токов пучка.

• Сокращение числа циклов сканирования.

• Сканирование и травление под небольшим углом для сохранения каналов в поликристаллических средах

Артефакты воздействия ионного пучка

Образование «складок»

Образование

«капельной

фазы»

Образование зоны «смешения»

Создание сечения под углом.

Использование меньших токов пучка.

Быстрое и полное сканирование при небольшом токе поверхности сечения во время его создания

Использование минимально возможных токов.

Использование паров Хе^ в просмотровом режиме.

Сокращение числа циклов сканирования

Напыление относительно толстых слоев платины для получения заданных электрических характеристик.

Использование электронно-стимулированного осаждения для формирования подслоя

Заключение

Технология остросфокусированного ионного пучка в вакууме, реализуемая в микроскопическом и технологических режимах, позволяет гибко, оперативно, без использования шаблонов решать задачи препарирования, изготовления, реконструкции микро- и наноразмерных гомогенных и гетерогенных объектов. Учет ряда особенностей ионного пучка и использование представленных в статье методов подавления нежелательных эффектов дают возможность значительно улучшить качество получаемых объектов, в конечном счете расширить границы применимости ионного пучка как способа воздействия на материал.

Автор выражает особую благодарность д-ру техн. наук профессору В. В. Лучинину за содействие в написании статьи и участие в ее редактировании.

1. Лучинин В. В., Савенко А. Ю., Тагаченков А. М. Методы микро- и наноразмерной обработки материалов и композиций // Петербург. журн. электроники. 2005. № 2. С. 3-14.

2. Кузнецова М. А., Лучинин В. В., Савенко А. Ю. Физико-технологические основы применения наноразмерной ион-но-лучевой технологии при создании микро- и наносис-темной техники // Нано- и микросистемная техника. 2009. № 8. С. 24-32.

3. Кузнецова М. А., Лучинин В. В. Ионно-стимулирован-ное топологически управляемое локальное осаждение проводящих слоев на основе платины // Вакуумная техника и технология. 2009. Т. 19, № 3. С. 149-158.

4. Кузнецова М. А., Лучинин В. В., Савенко А. Ю. Нано-размерные ионно-лучевые технологии. Возможности и ограничения (тезисы) // Микро- и нанотехнологии в электронике: Материалы междунар. науч.-техн. конф., Нальчик, 21-27 сент. Нальчик, 2009. С. 36-39.

УДК 681.586.5:621.395

А. А. Ветров, канд. техн. наук, Д. А. Данилов, инженер, С. С. Комиссаров, мл. научн. сотр., Т. Д. Коцюбинский, инженер, А. Н. Сергушичев, канд. техн. наук,

ЦМИД, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Виброакустические волоконно-оптические микромеханические системы

Ключевые слова: микромеханическая мембрана, волоконно-оптические системы, волоконно-оптические микрофоны и виброметры.

Key words: Micromechanical membrane, fiber-optical systems, fiber-optical microphones and vibrometers.

Рассмотрены виброакустические волоконно-оптические системы на базе микромеханических элементов, предназначенные для применения в медицине и биологии. Приведен теоретический анализ волоконно-оптических микрофонов и виброметров, определены их оптимальные конструктивные параметры. Приводятся результаты исследований разработанных экспериментальных образцов.

Введение

Увеличение численности населения планеты и продолжительности жизни приводит к необходимости создания и применения новых биомедицинских приборов для обеспечения более эффективного

диагностирования, наблюдения и лечения пациентов. В этом плане представляется чрезвычайно привлекательной разработка волоконно-оптических датчиков (ВОД) и систем различного медицинского назначения. Очень малый диаметр (менее 250 мкм) и высокая гибкость оптических волокон, а также малые потери при распространении света создают возможности для изготовления сверхминиатюрных биомедицинских ВОД и установки их непосредственно в месте проведения измерений. Новые возможности в плане миниатюризации ВОД активизирует развитие и внедрение технологий микросистемной техники. Основное достоинство ВОД — нечувствительность к электромагнитным и радиочастотным сигналам — делает их идеальными для диагностирования пациентов в режиме реального времени непосредственно в процессе проведения магнитно-