К.В. Фролов - Технологии, оборудование и системы, страница 8

Электронные пучки могут вызывать также эмиссию атомов и молекул с облучаемой по~)ерхностп за счет испарения (сублимации) вещества, терно- и электроностимулированной десорбцни адсорбированиых газов, разложения химических соединений и т.п. Фиэическне эффекты в объеме твердого тела, возникающие в результате проникновения электронного пучка в глубь материала, делатся на нетермические и термические.

К первым относятся ионизация атомов мишени, возбуждение фононных колебаний, образование дислокаций и радиационных дефектов, Г1УЧДН ЯУОМВЫХ ЧЛС2Н((, НЗДУЧВВНД Н ПГД(Д В ПДВВ ГУОНВОМ МД(ВВЦОСтРОВВВН 21 1.2.2. Параметры элевтреввых пучков акппацня химических реакций и увеличение проводимости полупроводншсов и диэлектриков, ко вторым - плавка, испарение, сварка и размерная обработка (прошивка отверстий, пазов, профилирование и т.п.). Из нстермическнх эффектов в электронном машиностроении наибольшее применение нашло изменение структуры н свойств материала электронорезиста при облучении его осгросфокусированным электронным лучом. В электронно-лучевой литографии в качестве ревиста используются органические материалы, которые при взаимодействии с ускоренными электронами либо полимер изувпся (образуются более крупные молекулы), либо в иих происходит деструкция материала (расшщение на более мелкие молекулы).

В нештивном электронном рванете под действием электронного луча создаются перекрестные связи в углерод-водородных цепочках и материал становятся нерастворимым и стойким к нагреву, т.е. после проявления на подвергнутых облучению участках остается рисунок из неудююнной полимерной маски. В другой группе полимеров, при облучении которых происходит разрыв основной цепочки молекул и тем самым увеличивается раопюримость материюю, рисунок на поверхности мишени образуется на оставшейся части пленки- позитивного электронного ревиста Нагрев вещества при облучении его электронами имеет несколько особенностей: максимум поглошенной энергии находится в объеме твердого тела, а не на поверхности, кюс например при лезерной обработке; при высокой концентрации тепловой энергии сравнительно мала обШая мощность пучка.

С помощью термического в оздейсшна электронов можно вызывать в веществе стРуктуРные фазовые переходы, отжиг дефектов, диффузию примесей, рекристаллизацию, плавление материала, десорбцню и испарение с поверхности атомных частиц и т. п. Параметры электронных пучков можно регулировать в широком диапазоне для проведения различных видов обработки изделий (табл. 1.2.2). Несмотря на сложности выполнения электронно-лучевой обработки, связанные с необходимостью помешать объекты обработки в вакуум, она успешно конкурирует с другими методами благодаря следующим преимушесша: универсальности (можно обрабатывать практически любые материалы, причем не только изменять геометрические размеры деталей и свойства их поверхности, но и проводить различные измерения); экологической чистоте (процесс протекает в высоком вакууме, электронный луч не вносит загрязнений и не подвержен износу, контроль с его помошъю, как правило, яюшется неразрушающнм); управляемости (можно регулировать энергию, фокусировку, модуляцию и отклонение электронных пучков, причем малая инерционность позволяет быстро перемешать луч с одного участка на другой и обеспечивать высокую скорость обработки и локальность воздействия).

Взаимодействие ионов с веществом. В зависимости от материала, формы, энергии и плотности мощности ионного пучка при взаимодействии его с веществом происходят процессы, которые открывают перел технологом возможность направленного изменения геометрических размеров и свойств твердого тела, а таске их контроля. Ионный пучок может бюъ сформирован как из полохппэльных, так и нз отрицательных ионов, однако наиболее часто используют ионы, несущие положительный заряд, из-за большей простоты нх получения и управления параметрами пучка.

В качестве материала ионного пучка могут быть использованы атомы Глана 1.2 ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ а) гг) ьу е 3) А)г о — с) о — о— б) о- ° ! е) ° . ьр ° б о о д) е о-: ) ° о о=> ) о — ' о— о— о— а) > ° ° а) о Рве. 1.Кз. Пресесем, аревсаедидве щв езавиедадсиав аеаамх иучвее с веществе>с а - исиезадва и возбуидеаие осзэтечннх и рабочих газов и ларса, нейтрализация заряда воино)с лучха; б - адсорбнва ионов; в — рассеяние ионов на атомах; г - десорбцва атомов в молекул; д - физическое раслыаенве; г - хвмнчесхсе рамзиленве; ж - эмисаиа ьтсрячимь ионов; > — эивссаа аторячних электронов; и - нагрев вещества; х - химические реазлээ; г - вмлааигадиа ионов; Ат - энергва фсэмюк г - ииуум (р 10з ... 10г па); и- зэгрдее тело (иетэдхы, даэлаграхн, лоаулрсаиввии) практически всех элементов Таблицы Менделеева, вюпочая ионы молекул, что при возмохности варьирования кратностью заряда делает ионные пучки потенциально более гибким средством воздействия на обрабатываемый или исследуемый объект по сравнению с электронными пучками.

Основные эффекты, возникающие при взаимодействии ускоренного до энергий от 100 эВ до 10 МэВ ионного пучка с вещеспюм и наиболее часто используемые в влек)ронном машиностроении, можно проиллюстрировать на приведенных ниже примерах (рис. 1.2.2). 1. Двигаясь в вакууме к облучаемому образцу, ионы могут сталкиваться с атомами и молекулами остаточных нли рабочих газов и паров. Как и в случае с электронными пучками, может происходить рассеяние и потеря энергии первичных часпщ, однако, хроме ионизацни попавшегося на пути атома и испусхаинл при этом фотона, возможно явление перезарядки ионного лучка.

Оно заключается в том, что дшскущийся ион захватывает электрон у атома, с которым он столкнулся, и продолжает двнхение прах.'тически с той же скоростью, но ухсе в нейтральном состоянии. о— Я > о— о— о— о— (+) > Я > о— о— Эффект перезарядки ионного пучка можно осуществить и с помощью направленного на него потока электронов, которые нейтрализуют заряд и тем самым создают пучок ускоренных атомов, ко тор ме используются, например, для распыления диэлектриков.

Для того чтобы ионный пучок долетал до поверхности обрабатываемого изделия без столкновения с остаточными газами, необходимо иметь в вюсуумной камере даююние не выше 10 з - 10 г Па. 2. Ударяющиеся о поверхность образца ионы могут оказаться свяюниыми с ней за счет адсорбции нли хемосорбцни, что может быль использовано шгя получения тонкопленочных слоев. 3. При столкновении о поверхностью твердого тела ионный пучок с энергией приблизительно до 30 кэВ может обратно рассекваться атомами нли группой атомов обдучаемого образца. При этом происходит отюгонение траектории ионов от первоначального направления и обмен энергии между ними и атомами мишени.

В зависимости от материала юаимодействующнх частиц и энергии ионного пучка обмен энергии может быль упругим ПУЧКИ АТОМНЫХ ЧАСТИП, ИЮТУЧЕНИЯ И ПОЛЯ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ (отрахение иона как мяча от силки) и неупругим (возбуждение и ионизация атомов). При неупругих соударениях энергия может выделяться в юше квантов излучения - свечения (и онолюмкнесценцюг), харахтеристического или тормозного рекпено веко го излучения.

Этн эффекты используются в ионной микрон спектроскопии. Если иьпцапс иона достаточно велик, то он малют сместить поверхностный атом из положения, цге он слабо связан с христаллической структурой образца, в положение, где связь оказывается сильнее (атомная диалокация). Ионы с более высокими энерпими могут вызывать внутренние дислокации в толще образца. 4. Упруго отраженные ионы могут вызывать десорбцию слабо свюанных с поверхношью атомов и молекул швов и паров, а такхе различных видов загрязнений. В технологиях электронного машиностроения этот эффект широко используется для очистки поверхностей деталей перед многими операциями, особенно перед процессами элитакаии и осаждения тонких пленок.

5. Если бомбардирующие поверхность образца ионы передают настолько большой импульс, что полностью освобождают от связей один нли несколько атомов, происходит физическое распыление. При этом атомы или группы атомов в приповерхноатном слое толщиной порядка 1 нм двихугся в направлении границы тверлое тело - вакуум и выходят из мишени. Вылетающие атомы или кластеры (группы атомов) могут находиться в нейтральном, заряженном или возбужденном состоя- Явление конно~о, кли, как его часто назывюат, катодного, распыления широко используетог в технолопих электронного машиностроения: ди строго дозированного удаления вещества с определенных участков обрабатываемого изделия, нанесения тонких пленок в вакууме ю различных материалов, анализа распыленных частиц по массам и т.д. 6.

Пучок химически активных ионов (Н, О, Х~, С1~, Е~ и др.) может вступать в химическую реакцию с атомами облучаемого образца и образовьпюь на его поверхности новые химические соединения, в том числе изообразные. Этот эффект называется химическим ионным распьшением и широко попользуется в электронном машиностроении в операциях ионна-химического травления материалов и ионна-химического осаиления тонких пленок. 7. Если при ионном распылении поверхностные атомы возбулиахпая до ионизированных состояний и покидают образец, то происходит вторичная ионная эмиссия.

Этот эффект лежит в основе принципа действии анализатора химического состава вещества и широко используется в технологиях микроэлектроники. К При ионной бомбардировке металлических поверхностей возникает вторичная элеюрокная эмиссия, которая яюиется естественным средством поддержания самостоягельного газового разряда. Кроме того, это явление используется в ионной микроскопии и спегпроскопии. 9.

Если энерпи, переданная пучком ионов атомам юппени, недостаточна для их распыления, атомы начинают колебаться окало положеюи равновесия, растрачиыи энергию на ншрев окружающей их среды, что приводит, естественно, к нагреву мишейи. При достаточной мощности, выдюиемой на единилу поверхности мишени, возюпсвют процессы (плавление и испарение вещества мишени, термоэмиссги электронов, термоизлучение и т.п.), которые ничем не отличаются от происходшцлх при облучении мишени электронами.