Способ создания пространственно-объемной структуры

Способ создания пространственно-объемной структуры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к методам создания объемных структур путем изменения по заданному рисунку свойств вещества исходной заготовки в обрабатываемых участках и может найти применение в микроэлектронике при изготовлении интегральных схем различного назначения, средств хранения информации и т.п.

Известно широкое применение ионных пучков для легирования твердых тел различными элементами с целью формирования в облучаемых материалах заданных по размеру областей с определенными физическими, электрическими и другими характеристиками, фазовым составом, структурой и т.п.

Отличительная особенность ионного легирования - это возможность легирования объекта любыми (без ограничений) элементами, в том числе не имеющими растворимость в материале данного объекта. Именно это обстоятельство и способствовало широкому применению принципов ионной модификации структуры с целью управления химическими, физическими и механическими свойствами.

В частности, к таким способам относится и описанный в RU 2193080 /1/. Сущность способа ионного легирования твердых тел заключается в том, что одновременно или последовательно облучают объекты ионами инертного газа и ионами фазообразующих элементов, причем путем облучения ионами инертного газа в объекте формируют газовые нанопоры с одновременным или последовательным заполнением их объема ионами фазообразующих элементов. Изобретение решает задачу повышения эффективности ионного легирования и осуществление практической реализации условий формирования и синтезирования в твердых телах монодисперсных нановыделений различных фаз с высокой объемной плотностью.

Недостатком известного способа является то, что упомянутые выделения фаз возникают в обрабатываемом материале хаотично, без образования заданного их распределения по объему, что ограничивает сферу использования.

Известен способ изготовления проводящего рисунка в объеме тонких слоев толщиной до 20 нм путем селективного удаления атомов неметалла воздействием пучка заряженных частиц (RU 2129320 /2/). Недостатком известного метода является то, что с его помощью невозможно изготавливать объемные структуры с большей толщиной чем ˜100 нм, в том числе многослойные. Для повышения плотности размещения элементов паттернированных структур, при большей толщине обрабатываемых слоев, приходится подбирать такую энергию, чтобы высота горла колбы рассеяния совпадала с толщиной обрабатываемых слоев с тем, чтобы не происходило смыкания соседних элементов проводящей структуры из-за соприкосновения стенок колбы рассеяния. Формируемое горло колбы рассеяния в данном способе имело небольшую высоту из-за малой толщины обрабатываемых слоев. Простое увеличение энергии частиц, которое могло бы увеличить длину горла колбы рассеяния (и тем самым повысить толщину обрабатываемых слоев без снижения достижимой плотности формируемых паттернированных структур (рисунков) без изменения условий осуществления способа, приводило к исчезновению материала в участках, подвергнутых облучению, что можно объяснить влиянием некоторых процессов, происходящих в процессе облучения (например, такие как ионно-реактивное травление, физическое распыление). Кроме того, в этом случае возникали большие проблемы с обеспечением теплоотвода для поддержания допустимой температуры образцов в процессе облучения.

Известен способ формирования многослойной (объемной) структуры, состоящей из одного или нескольких слоев, толщина каждого из которых составляет от 10 до 100 нм (RU 2183882 /3/ или патент-аналог US 6403396 /4/ или WO 9945582 /5/). Известный способ предполагает сначала формирование определенного рисунка с измененной проводимостью в пленке толщиной 10-100 нм путем воздействия на нее либо оптическим излучением, либо потоком ускоренных частиц, в результате чего в облученных участках происходит трансформация проводящих свойств. Затем полученные слои соединяют в стопку с образованием трехмерной (объемной) структуры.

Недостатком такой технологии является необходимость очень точного наложения одного слоя на другой с обеспечением совмещения элементов в разных слоях, что является достаточно сложной задачей и для ее успешного решения иногда приходится идти на увеличение размеров элементов структуры. Одновременная же обработка многослойных заготовок или однослойных с толщиной несколько сотен нанометров предлагаемым способом (с использованием элементарных частиц и ионов) не предусматривается. И это обусловлено тем, что при использовании таких "толстых" слоев колба рассеяния в нижних слоях (или нижней части слоя) будет иметь значительные размеры и возможно смыкание соседних элементов, что недопустимо. Указанное обстоятельство ведет к уменьшению плотности размещения структурных элементов. Известный способ не предусматривает выявления оптимальных условий получения структур с максимально допустимой плотностью размещения составляющих их элементов (разрешающей способностью) и требуемой степенью преобразования вещества из непроводящего состояния в проводящее. В описании /3/ (см. колонку 31, последние 8 строк) отмечается, что степень преобразования из непроводящего состояния в проводящее или наоборот может управляться облучением (дозой, интенсивностью, спектральным составом), но не содержит конкретных рекомендаций по их выбору.

Следует отметить, что в /3, 4, 5/ предусматривается и одновременная обработка нескольких слоев. Однако такой способ может быть применен только для использования оптического излучения в качестве средства для воздействия на материал с целью преобразования его свойств, а в качестве обрабатываемого материала используются металлополимеры, имеющие различную спектральную чувствительность к изменению свойств. Этот способ, кроме того, не может обеспечить существенное изменение электропроводимости в обработанных участках, так как отсутствуют приемы удаления продуктов деструкции полимера.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаеммому результату является известный из описания RU 2243613 /6/ способ формирования объемной паттернированной структуры, состоящей из областей, отличающихся по химическому составу, который заключается в том, что на подложку наносят один или несколько рабочих слоев из одного или различных двух- или многоатомных веществ, размещают полученную заготовку в камере, содержащей источник ускоренных частиц, создают в ней вакуум и облучают модулированным в пространстве и/или во времени пучком ускоренных частиц, при этом энергию частиц, значение которой определяют расчетным путем и/или проведением предварительных экспериментов, выбирают из условия возможности прохождения частиц сквозь все рабочие слои с образованием колбы рассеяния с поперечным размером, меньшим промежутка между облученными участками, но не менее энергии, необходимой для смещения и селективного удаления входящих в вещество рабочих слоев атомов выбранного сорта, а величину дозы облучения выбирают из условия обеспечения селективного удаления требуемой доли атомов выбранного сорта до достижения необходимого уровня свойств вещества из оставшихся атомов, которые определяются на основании экспериментальной зависимости свойств облученного вещества от дозы облучения. В частных случаях реализации известного способа заготовку облучают потоком ускоренных частиц, энергию которых изменяют во времени таким образом, чтобы обеспечить равномерный профиль изменения химического состава по всей толщине обрабатываемых рабочих слоев заготовки.

Недостатком известного способа является хотя и высокая, но все-таки недостаточная плотность размещения (разрешающая способность) элементов, входящих в создаваемую структуру. Это обусловлено тем, что несмотря на уменьшение размеров колбы рассеяния, позволяющих более плотно размещать элементы структуры, ее наличие является сдерживающим фактором дальнейшего уменьшения промежутков между элементами структуры.

Заявляемый в качестве изобретения способ создания объемных структур направлен на повышение плотности размещения элементов структур формируемых с использованием пучка ускоренных частиц за счет мер, позволяющих избежать проявления эффектов, связанных с образованием колбы рассеяния, а также расширение номенклатуры типов двух или многоатомных химических соединений, используемых в качестве рабочих слоев, - включения в них соединений с сильным химическим сродством входящих в них атомов, состав которых можно управляемо изменять за счет селективного удаления атомов при помощи пучков ускоренных частиц.

Указанный результат достигается тем, что способ создания пространственно-объемной структуры включает нанесение на подложку одного или нескольких рабочих слоев из двух- или многоатомных соединений и последующее их облучение через маску или шаблон пучком ускоренных частиц, обеспечивающих селективное удаление атомов определенного сорта на облучаемых участках и сопровождающееся этим преобразование свойств вещества, при этом поверх рабочего слоя наносят вспомогательный слой вещества, химическое сродство которого к селективно удаляемым из рабочего слоя атомам меньше, чем у не удаляемых атомов рабочего слоя.

Указанный результат достигается также тем, что в качестве вещества вспомогательного слоя используют медь, кобальт, вольфрам, висмут, серебро, палладий, рений, платину, золото и другие вещества, обладающие малым химическим сродством к селективно удаляемым атомам по сравнению с не удаляемыми атомами рабочего слоя, или их соединения с удаляемыми атомами.

Указанный результат достигается также тем, что вспомогательный слой выполняют толщиной 3-50 нм.

Наличие вспомогательного слоя вещества, химическое сродство которого к селективно удаляемым из рабочего слоя атомам мало или отсутствует, позволяет придать объему рабочего слоя форму и размеры, повторяющие геометрию облучаемых участков вспомогательного слоя вещества без искажений и уширения, которые без использования вспомогательного слоя неизбежно обусловлены образованием колбы рассеяния. Указанный результат достигается следующим образом. Поскольку материалы рабочих слоев в данном случае являются двух- или многоатомными соединениями с сильным химическим сродством атомов их образующих, то облучение пучками ускоренных частиц, несмотря на радиационные смещения атомов из равновесных положений, не приводит к существенным изменениям химического состава за счет селективного удаления определенного сорта атомов. Это обусловлено эффективным обратным захватом и восстановлением химических связей их с соседними к месту остановки атомами с большим химическим сродством. Однако при пересечении подлежащими удалению радиационно-смещенными атомами границы фазового раздела с вспомогательным слоем и попадании в него, они будут селективно удаляться из него, т.к. эффективный обратный захват будет отсутствовать. При этом селективное удаление будет обусловлено разницей скоростей радиационного смещения атомов разного сорта (атомов вещества вспомогательного слоя и селективно удаляемых атомов из рабочего слоя). Зона межслоевого обмена удаляемыми атомами будет совпадать с геометрией вспомогательного слоя в зоне облучения при некоторых ограничениях на энергию используемых ускоренных частиц. В частности, энергия, передаваемая ими удаляемым атомам должна быть достаточна для их пробега в рабочем слое лишь на несколько межатомных расстояний. При этом в процессе облучения удаляемые атомы будут постепенно покидать объем рабочего слоя из цилиндра (параллелепипеда, призмы), высота которого близка к длине проективного пробега в рабочем слое попадающих в него ускоренных частиц. Любое сечение этого цилиндра будет повторять геометрию вспомогательного слоя (основания геометрической фигуры в виде цилиндра, параллелепипеда, призмы) в зоне облучения. Таким образом, можно в значительной мере избежать уширения зоны изменения химического состава в рабочем слое, которое обычно обусловлено образованием колбы рассеяния при взаимодействии пучков ускоренных частиц с веществом.

В качестве вещества вспомогательного слоя в зависимости от того, каким выбран материал рабочего слоя, можно использовать медь, кобальт, вольфрам, висмут, серебро, палладий, рений, платину, золото и другие вещества, обладающие малым химическим сродством к селективно удаляемым атомам по сравнению с не удаляемыми атомами рабочего слоя. Например, если в качестве вещества рабочего слоя используется оксид кремния - двуокись, то в качестве вещества вспомогательного слоя можно использовать платину, палладий, серебро. Если в качестве вещества рабочего слоя используют оксид титана, то в качестве вещества вспомогательного слоя можно использовать рений, палладий, платину. Экспериментально установлено, что наиболее целесообразно выбирать толщину вспомогательного слоя в пределах 3-50 нм. При толщине слоя менее 3 нм трудно обеспечить сплошность вспомогательного слоя при его формировании. Выполнение вспомогательного слоя более 50 нм нецелесообразно, так как суммарное увеличение толщины заготовки требует увеличения энергии ускоренных частиц в пучке, а увеличение энергии частиц усложняет обеспечение теплосъема для поддержания нормальной температуры образцов.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примерами его реализации и чертежами. На фиг.1 (a, b) показан поперечный разрез заготовки формируемой объемной структуры в идеальном случае и последовательность операций формирования структуры с использованием одного шаблона. На фиг.2 показан поперечный разрез получаемой объемной структуры в реальном случае в соответствии со способом, выбранным за прототип. На фиг.3 показан поперечный разрез получаемой объемной структуры, полученной в реальном случае в соответствии с заявляемым способом. На фиг.4 показана дозная зависимость электросопротивления, на основании которой выбирают при данной энергии время облучения для достижения требуемого уровня свойств создаваемых проводников. На фиг.5 показана аналогичная зависимость намагниченности насыщения, которую используют в случае формирования магнитного рисунка в немагнитной матрице.

Пример 1. В общем случае способ формирования объемной паттернированной структуры осуществляется следующим образом. На подложку 1 (фиг.1), которая может быть выполнена из монокристаллического или поликристаллического кремния, алюминия, двуокиси кремния и т.п. наносят либо один, либо несколько рабочих слоев 2 из различных двух- или многоатомных веществ. В качестве таковых преимущественно могут быть использованы соединения металлов или полупроводников с кислородом, водородом, азотом, углеродом или с их комбинацией. Поверх рабочих слоев наносят вспомогательный слой 3 вещества, сродство которого к селективно удаляемым из рабочего слоя атомам мало или отсутствует. Например, если селективно удаляемыми атомами являются атомы кислорода, то в качестве такого вещества могут быть использованы кобальт, платина, палладий. Если удаляются атомы водорода, то в качестве вещества, сродство которого к селективно удаляемым из рабочего слоя атомам меньше могут быть использованы кобальт, рений, платина. Если удаляются атомы азота, то в качестве вещества вспомогательного слоя, сродство которого к селективно удаляемым из рабочего слоя атомам мало могут быть использованы медь, оксид меди, кобальт, оксид кобальта, платина, оксид платины. Степень химического сродства веществ может быть определена по справочным данным.

Полученные заготовки помещают в рабочую камеру, содержащую источник ускоренных частиц, и создают в ней вакуум 10^-7-10^-9 Па. В качестве ускоренных частиц могут быть использованы электроны, протоны, ионы гелия, атомы водорода или гелия. Заготовки облучают потоком 4 ускоренных частиц с предварительно определенным значением энергии через шаблон (маску) 5. Шаблон (маска) может быть размещен непосредственно на заготовке, т.е. находиться в контакте с верхним слоем облучаемого вещества или находиться на некотором удалении от него. Под воздействием пучка 4 ускоренных частиц происходит преобразование исходных свойств рабочих слоев на облучаемых участках 6 (диэлектрических - в проводящие или полупроводниковые, немагнитных - в магнитные, изменение оптических свойств и т.п.) за счет селективного удаления атомов кислорода, водорода, азота, фтора, углерода и других легких атомов или их комбинации, входящих в состав вещества рабочих слоев, т.е. создается объемная паттернированная структура, в каждом слое которой рисунок (паттерн) обладает свойствами иными, чем окружающая его матрица. При этом удаляемые легкие атомы уходят из зоны действия пучка непосредственно под сечением вспомогательного слоя, подвергавшегося воздействию пучка и исключительно в направлении верхнего вспомогательного слоя. Это обусловлено тем, что в двух- или многоатомных соединениях с сильным химическим сродством различия в скоростях смещения атомов разного сорта под воздействием пучков ускоренных частиц может не сопровождаться селективным удалением какого-либо сорта атомов. Это обусловлено эффективным обратным захватом выбитых атомов и восстановлением разрушенных химических связей вследствие сильного химического сродства. В случае, если над рабочим слоем находится вспомогательный слой, состоящий из атомов, имеющих малое химическое сродство к селективно удаляемым атомам, то вблизи границы фазового раздела селективно удаляемые атомы из рабочего слоя вследствие смещений под облучением могут попадать во вспомогательный слой и уже из него удаляться по обычному механизму селективного удаления атомов. Зона межслоевого обмена удаляемыми атомами будет совпадать с геометрией вспомогательного слоя в зоне облучения при некоторых ограничениях на энергию используемых ускоренных частиц. В частности, энергия, передаваемая ими удаляемым атомам, должна быть достаточна для их пробега в рабочем слое лишь на несколько межатомных расстояний. При этом в процессе облучения удаляемые атомы будут постепенно покидать объем рабочего слоя из цилиндра, высота которого близка к длине проективного пробега в рабочем слое попадающих в него ускоренных частиц. Любое сечение этого цилиндра будет повторять геометрию вспомогательного слоя в зоне облучения. Таким образом, можно в значительной степени избежать уширения зоны изменения химического состава в рабочем слое, которое обычно обусловлено образованием колбы рассеяния при взаимодействии пучков ускоренных частиц с веществом.

Требуемый диапазон значений энергий для осуществления технологического процесса формирования объемной паттернированной структуры с заданными параметрами (число слоев, общая толщина структуры, плотность размещения структурных элементов и т.п.) определяется расчетным путем или экспериментально.

В первом случае на основании справочных данных и теоретических моделей рассчитывается суммарная длина проективного пробега ускоренных частиц пучка во вспомогательном и рабочем слоях. Рассчитывается доля удаляемых легких атомов, а при высоких энергиях и доля более тяжелых удаляемых атомов. Величину энергии выбирают такую, чтобы не происходило удаление заметного числа атомов формируемых металла или полупроводника.

Если в результате облучения частицами будет происходить значительное их удаление, то обработанные участки могут не обладать требуемыми свойствами из-за малого количества оставшихся атомов металлов и/или полупроводников.

При экспериментальном определении энергии ускоренных частиц, необходимой для формирования объемной структуры, проводят несколько предварительных экспериментов. Для этого подготовленные заготовки с нужным количеством рабочих слоев из различных веществ или одного слоя из одного вещества требуемой толщины облучают через шаблон потоком ускоренных частиц с различной энергией и получают дозные зависимости изменения требуемых свойств (как показано на фиг.4, 5). Для этого на подложку наносят слой исходного вещества и осуществляют облучение с фиксированной дозой, после чего исследуют его свойства. Затем дозу облучения увеличивают и снова исследуют свойства. Например, берут в качестве исходного материала окисел металла и исследуют его электропроводность. Естественно, что по мере увеличения дозы облучения все большее число атомов кислорода будет удаляться, а следовательно, электропроводность будет возрастать. Задавшись требуемой электропроводностью формируемого в диэлектрической матрице проводящего участка по полученным данным, выбирают соответствующую этому требованию дозу облучения. Аналогично можно исследовать зависимость от дозы магнитных, оптических и других свойств.

На основании дозных зависимостей определяют дозу облучения, которая необходима для достижения заданного уровня требуемых свойств. Кроме того, полученные объемные структуры исследуются и определяется длина проективного пробега. По результатам выбираются те значения энергий, которые удовлетворяют заданным геометрическим параметрам формируемой структуры.

Облучение подготовленной заготовки может осуществляться с использованием одного или нескольких шаблонов, имеющих только сквозные отверстия, или путем сканирования по поверхности заготовки модулированным по интенсивности пучком ускоренных частиц. При использовании одного шаблона или сканированием модулированного по интенсивности пучка сформированная структура будет иметь один и тот же рисунок (топологию) во всех слоях.

Пример 2. Способ в части создания вакуума в рабочей камере, подбора дозы облучения (для каждого из обрабатываемых слоев) осуществляют, как описано в примере 1.

Способ реализуется следующим образом. Подготовленные заготовки с нужным количеством рабочих и вспомогательных слоев из различных веществ или одного рабочего слоя из одного вещества требуемой толщины и одного вспомогательного слоя облучают через шаблон потоком ускоренных частиц с различной энергией. Сначала заготовку облучают потоком частиц с энергией, необходимой для удаления атомов требуемого сорта из верхнего слоя или его верхней части. Затем энергию увеличивают с тем, чтобы удалить атомы требуемого сорта из следующего слоя или его части и т.д. до достижения максимального значения энергии, обеспечивающей удаление атомов требуемого сорта из самой нижней части заготовки. Указанная процедура осуществляется и для однослойных заготовок, имеющих значительную толщину (100 нм и более).

Пример 3. Способ реализовывался по общей схеме, как описано в примере 2, с использованием протонов в качестве частиц для облучения материала заготовки. Для его реализации в вакуумной камере технологической установки на подложкодержателе устанавливаются несколько подложек из монокристаллического кремния размером 5×5×0,4 мм, на которые нанесены заданное количество рабочих слоев и вспомогательный слой требуемой толщины. Вакуумная камера откачивалась сначала форвакуумным, а затем турбомолекулярным насосом до давления 10^-7 Па. В качестве источника протонов можно использовать любой из числа известных, например высокочастотный плазменный источник. На пути пучка ионов на поверхности образца была расположена заранее созданная маска из электронного резиста толщиной 0,3 мкм с отверстиями диаметром 1 мкм и расстоянием между ними 1 мкм. В другом случае в качестве такого шаблона использовалась маска, изготавливаемая по известным технологиям (например, фотолитографией либо электронной литографией). После откачки включался источник протонов и устанавливался его рабочий режим, обеспечивающий преобразование диэлектрических свойств материала заготовки в проводящие или полупроводниковые.

Результаты экспериментов показаны в таблице.

Пример 4. Способ осуществляли в соответствии с общей схемой, описанной выше. На кремниевую подложку в качестве рабочего наносили слой оксида кремния толщиной 20 нм, поверх него в качестве вспомогательного наносился слой платины или оксида платины толщиной 20 или 30 нм соответственно. Полученную структуру облучали через шаблон пучком атомов водорода, который образовывался путем нейтрализации электронами пучка протонов с энергией 1.5 КэВ. Облучение осуществляли в течение 180 мин, в результате чего в облученных участках в слое оксида кремния происходило селективное удаление атомов кислорода с образованием нанокристаллического кремния. Таким образом, в диэлектрике был сформирован полупроводниковый рисунок. По аналогичной схеме проводили серии опытов, варьируя состав вещества рабочих и вспомогательных слоев, их число и толщину. Результаты экспериментов показаны в таблице.

Таблица.
№ п/п	Номер слоя	Материал рабочих слоев, толщина, нм	Материал вспомогательных слоев, толщина, нм	Диаметр отверстия в маске	Вид частиц, энергия
1.	1		Платина, 20 нм	500 нм	Протоны, 1.5 КэВ
	2	Оксид кремния, 20 нм
	3	оксид титана, 20 нм
2.	1		Палладий, 30 нм	500 нм	Протоны, 2.5 КэВ
	2	Оксид титана, 50 нм
3.	1		Оксид платины, 25 нм	1 мкм	Протоны, 3 КэВ
	2	Оксид вольфрама, 25 нм
	3	Оксид кремния, 20 нм
4.	1		Платина, 20 нм	1 мкм	Атомы водорода, 1.5 КэВ
	2	Оксид кремния, 20 нм
5.	1		Оксид платины, 30 нм	1 мкм	Атомы водорода, 1.5 Кэв
	2	Оксид кремния, 20 нм

1. Способ создания пространственно-объемной структуры, включающий нанесение на подложку одного или нескольких рабочих слоев из двух- или многоатомных соединений и последующее их облучение через маску или шаблон пучком ускоренных частиц, обеспечивающих селективное удаление атомов определенного сорта на облучаемых участках и сопровождающееся этим преобразование свойств вещества, отличающийся тем, что поверх рабочего слоя наносят вспомогательный слой вещества, химическое сродство которого к селективно удаляемым из рабочего слоя атомам меньше, чем у не удаляемых атомов рабочего слоя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве вещества вспомогательного слоя используют медь, кобальт, вольфрам, висмут, серебро, палладий, рений, платину, золото и другие вещества, обладающие меньшим химическим сродством к селективно удаляемым атомам по сравнению с не удаляемыми атомами рабочего слоя, или их соединения с удаляемыми атомами.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что вспомогательный слой выполняют толщиной 3-50 нм.