Что в архиве: РЕФЕРАТ

Расчетно-пояснительная записка содержит 72 с., 25 рис., 10 табл., 16 источников, 1 прил.
ФЕМТОСЕКУНДНЫЙ ЛАЗЕР, МИКРООБРАБОТКА, ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННАЯ ПЛАЗМА, ПОЛУПРОВОДНИКИ, МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
Цель выпускной квалификационной работы – изучение обработки материалов микроэлектроники с помощью излучения лазера с ультракороткой длительностью импульсов и разработка методики проведения экспериментов по воздействию излучения сверхкоротких длительностей на монокристаллический кремний.


СОДЕРЖАНИЕ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ. 2
РЕФЕРАТ. 3
ВВЕДЕНИЕ. 5
1 Технологии микрообработки кремния. 9
1.1 Обзор технологий микрообработки. 9
1.2 Установка для лазерной микрообработки кремния. 14
1.3 Параметры сфокусированного лазерного луча. 18
2 Взаимодействие излучения с веществом. 30
2.1 Физические процессы взаимодействия лазерного излучения с веществом. 30
2.2 Расчет параметров лазерно-индуцированной плазмы.. 38
3 Экспериментальное исследование микрообработки кремния. 44
3.1 Оптический пробой воздуха. 44
3.2 Микрообработка монокристаллического кремния. 51
3.3 Сравнение экспериментальных данных с теоретическими расчетами. 61
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 63
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ. 64
ПРИЛОЖЕНИЕ А.. 66

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние научно-технической проблемы: мировое развитие микроэлектроники происходит стремительными темпами. Глобальный рынок микроэлектронных устройств оценивался в 308 млрд долларов в 2020 с прогнозом 321 млрд к 2021 году и 397 млрд к 2026 с ростом приблизительно на 4 процента в год. Влияние COVID-19 на сбой в логистических цепях поставок спровоцировало спад спроса на потребительскую электронику на 0,9% , но из-за развития технологий интернета вещей, рост в постковидный период компенсирует падение. Основные игроки на глобальном рынке микроэлектроники – Intel, Qualcomm, Micron Technology, Texas Instruments, Invidia и др., сосредоточенные преимущественно в США и Азии [1].
Объем российского рынка составляет всего 0,7% от мирового. Большинство продукции производится для военной области, оставляя потребительский сегмент иностранным компаниям. Почти вся электронно-компонентная база выпускается тремя предприятиями: «Микрон», «Группа Кремний Эл» и «Ангстрем». Самые массовые продукты – микросхемы для идентификационных схем, паспртов, RFID-меток и элементов интернета вещей. Так же микроэлектронные чипы нужны для компаний, выпускающих софт для интернета вещей [2].
Исходные данные для выбора темы: основными материалами для производства компонентной базы в микроэлектронике являются полупроводники, в частности монокристаллический кремний. Монокристаллический кремний – материал, в котором кристаллическая решетка твердого тела непрерывна и не имеет границ зерен. Полупроводники по своим электрическим свойствам лежат между проводниками и диэлектриками и имеют удельное сопротивление в диапазоне . Полупроводники стали основной микроэлектронных устройств, т.к. их свойства могут быть изменены после добавления нужного количества примесных атомов. Несмотря на то, что на раннем этапе развития микроэлектроники основным материалом был германий, на сегодняшний день наибольшее распространение для микроэлектронных устройств получил кремний. Основные причины широкого распространения кремния на рынке микроэлектроники следующие:

1. Большое количества различных форм кремния в земной коре, что делает использование кремния экономически выгодным.
2. Ширина запрещенной зоны кремния (1,1 эВ) больше ширины запрещенной зоны германия (0,66 эВ), что позволяет применять устройства из кремния при более высокой температуре.

Для производства компонентной базы микроэлектроники используется монокристаллический кремний, который получается методом Чохральского [3].
В настоящее время в электронной промышленности интенсивно развивается направление миниатюризации и интеграции электронных и радиоэлектронных компонентов. Поскольку при этом сложность схем существенно повышается (увеличивается количество компонентов, цепей, появляются компоненты в более сложных корпусах), то для изготовления печатных плат требуется уменьшение ширины проводников и зазоров между ними до значений порядка 30 мкм, уменьшение размеров переходных отверстий до 30-50 мкм, добавление «глухих» и скрытых отверстий.
Актуальность темы: микроэлектроника – критически важная область для государства, от которой зависит распространение современных технологий, внедрение IT-решений, развитие компьютерной промышленности и обороноспособности страны. Министерством промышленности и торговли Российской Федерации была принята программа, по которой предусмотрено финансирование 226 млрд рублей на развитие данной отрасли.
Основными направлениями при производстве микроэлектронных компонент является разработка и масштабируемость технологии микрообработки материала.
Цель исследования: изучение обработки материалов микроэлектроники с помощью излучения лазера с ультракороткой длительностью импульсов и разработка методики проведения экспериментов по воздействию излучения сверхкоротких длительностей на монокристаллический кремний.
Задачи исследования:
- Сделать обзор технологий микрообработки;
- Провести сравнительный анализ технологий микрообработки кремния с указанием преимуществ и недостатков каждого метода;
- Привести схему установки для микрообработки материалов сверхкороткими лазерными импульсами;
- Привести расчет оптической системы выбранной установки;
- Рассмотреть основные физические процессы, протекающие при воздействии лазерного излучения сверхкоротких длительностей на полупроводниковые материалы;
- Выявить наиболее значимые параметры лазерного излучения, определяющие взаимодействие лазерного излучения сверхкоротких длительностей с материалом;
- Проанализировать литературу и определить наиболее релевантную модель, описывающущую свойства плазмы в парах материала, который подвергается лазерному воздействию;
- Рассчитать параметры плазмы на основе выбранной физической модели и сравнить полученные значения с представленными в литературе;
- Выделить наиболее значимые параметры монокристаллического кремния, влияющие на процесс микрообработки и выбрать методику для экспериментального определения параметров материала;
- Провести эксперимент по составленной методике, сравнить полученные результаты с полученными путем теоретического расчета;
Новизна работы: на основе анализа литературы был выбран наиболее адекватный метод для лазерной микрообработки монокристаллического кремния. Был проведен оптический расчет для конкретной конфигурации оптической системы, состоящей из телескопа с увеличением 3^x фокусирующей линзы с фокусным расстоянием 70 мм для длины волны 1030 нм .
Выбрана система исходных уравнений для теплового расчета, в которой температуры ионов и электронов зависит от поперечной координаты и времени. Данная модель конкретизирована для случая лазерных импульсов фемтосекундной длительности.
Выбрана физическая модель, описывающая формирование плазмы в кремнии при воздействии лазерного импульса сверхкороткой длительности. На основе выводов данной модели были рассчитаны параметры плазмы. Полученные результаты были сравнены с данными, приведенными в литературе.
Впервые экспериментально была определена пороговая энергия разрушения, пороговая плотность энергии разрушения для монокристаллического кремния при воздействии фемтосекундных импульсов на длине волны 1030 нм.
Практическая значимость работы: рассчитанные параметры оптической системы (диаметр лазерного пучка в фокусе, угол расходимости); параметры плазмы (коэффициенты поглощения, отражения, проводимость, диэлектрчиеская проницаемость) могут быть использованы при разработке технологий микрообработки монокристаллического кремния.


1 Технологии микрообработки кремния

Проведена классификация методов микрообработки, выявлены основные методы, применяемые в микроэлектронике: фотолитография, травление и лазерная микрообработка. Проведено сравнение методов и выявление наиболее оптимального для задач микрообработки монокристаллического кремния – лазерной микрообработки сверхкороткими импульсами.
Выполнена классификация параметров выходного лазерного излучения, Описана методика расчета энергетических параметров. Сделан оптический расчет для фокусирующей системы конкретной лазерно-технологической установки для микрообработки материалов.

1. Обзор технологий микрообработки

Фотолитография – изготовление элементов приборов микроэлектроники с помощью чувствительных к высокоэнергетическому излучению покрытий, способных воспроизводить заданную конфигурацию элементов [4]. В основе фотолитографии лежит фотохимическое воздействие света на вещество, в результате которого происходит изменение его свойств. В зависимости от протекающих процессов фоторезисты делятся на негативные и позитивные. Негативные фоторезисты под действием света образуют нерастворимые участки рисунка и после проявления остаются на поверхности. Позитивные фоторезисты образуют растворимые участки, и рисунок оригинала повторяется на поверхности пластины. На рисунке 1 показано изображение фотолитографического процесса:
Рисунок 1 – Процесс фотолитографии [4]