CC BY
135
Агеев Олег Алексеевич
Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: ageev@fep.tti.sfedu.ru.
347928, . , . , 2.
.: 88634371611.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; заведующий кафедрой; . . ; .
Смирнов Владимир Александрович
E-mail: sva@fep.tti.sfedu.ru.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; к.т.н.; доцент.
Коломийцев Алексей Сергеевич E-mail: alexey.kolomiytsev@gmail.com.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; acnnpanT.
Громов Александр Леонидович
E-mail: groall@tti.sfedu.ru.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; магистрант.
Ageev Oleg Alexeevich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: ageev@fep.tti.sfedu.ru.
2, Shevchenko Street, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371611.
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Head the Department; Dr. of Eng. Sc., Professor.
Smirnov Vladimir Alexandrovich
E-mail: sva@fep.tti.sfedu.ru.
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Associate Professor.
Kolomiytsev Alexey Sergeevich
E-mail: alexey.kolomiytsev@gmail.com.
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Postgraduate Student.
Gromov Alexandr Leonidovich
E-mail: groall@tti.sfedu.ru.
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Undergraduate.
УДК 621.382
О .А. Агеев, А.С. Коломийцев, АЛ. Громов, О.И. Ильин
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ О БМ И КРОННОГО ПРОФИЛИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖЕК КРЕМНИЯ МЕТОДОМ ФОКУСИРОВАННЫХ ИОННЫХ ПУЧКОВ
Проведены экспериментальные исследования технологических режимов субмикрон-ного профилирования поверхности кремниевой подложки с манометровым разрешением методом фокусированных ионных пучков. Установлены зависимости геометрических параметров сформированных наноразмерных структур от ускоряющего напряжения и тока ионного пучка, а также от времени воздействия ионного пучка в точке при различном количестве проходов пучка по шаблону. Исследованы зависимости скоростей травления полупроводниковых материалов от тока ионного пучка. Определены диапазоны технологиче-
ских режимов субмикронного профилирования. Сформирован прототип тестового эле.
технологических процессов изготовления перспективной элементной базы наноэлектроники и наносистемной техники.
Нанотехнологии; фокусированные ионные пучки; атомно-силовая микроскопия; на.
О.А. Ageev, A.S. Kolomiytsev, A.L. Gromov, O.I. Ilin
INVESTIGATION OF THE SILICON SUBSTRATE SURFACE PROFILING USING FOCUSED ION BEAMS IN SUBMICRON AREA
In experimental studies of technological modes of submicron surface profiling of a silicon substrate with nanometer resolution using focused ion beams. The dependencies of the geometrical parameters of nanostructures by the accelerating voltage and ion beam current and exposure time of the ion beam at a point with different numbers of passes of the beam pattern. The dependence of the etching velocity of semiconductor materials by ion beam current is defined. Theranges of technological modes of submicron profiling are determined. The prototype of the test element of nanof-luidics is formed. The results can be used in the development process of manufacturing a perspective element base of nanoelectronic technology.
Nanotechnology; focused ion beams; atomic forces microscopy; nanofluidics.
Задача формирования перспективной элементной базы радиоэлектронной аппаратуры неразрывно связана с совершенствованием технологических процессов размерной обработки твердотельных структур. В настоящее время уровень интеграции современных СБИС достиг уровня, при котором размеры отдельных элементов ИМС составляют несколько десятков нм [1, 2]. В технологии производства
-
субмикронного профилирования поверхности твердого тела является метод фокусированных ионных пучков (ФИП) [3].
Метод ФИП обладает рядом достоинств по сравнению с другими методами субмикронного профилирования поверхности структур, таких как: высокая разрешающая способность метода, высокая скорость формирования топологического рисунка без необходимости использования специализированных резистов и масок, возможность обработки широкой номенклатуры материалов и твердотельных ,
, , варьированием технологических параметров в широких пределах [4]. Однако, несмотря на перечисленные достоинства, субмикронное профилирование методом ФИП сопряжено с рядом проблем и сложностей, среди которых особо следует отметить - сложность достижения предельной разрешающей способности при высокой воспроизводимости параметров формируемых структур, а также слабая изу-, -
ка [5].
Целью данной работы является проведение экспериментальных исследований технологических режимов субмикронного профилирования поверхности кремниевой подложки с нанометровым разрешением методом фокусированных .
Экспериментальные исследования в данной работе производились с использованием растрового электронного микроскопа с колонной ФИП Nova NanoLab 600 в специальной конфигурации (FEI Company, Нидерланды), а также модуля ФИП многофункционального сверхвысоковакуумного нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9 (ЗАО «Нанотехнология-МДТ», Россия) (рис. 1) [6].
Рис. 1. РЭМ Nova NanoLab 600 (а) и модуль ФИП нанотехнологического комплекса
НАНОФАБ НТК-9 (б)
В данных приборах координаты точек воздействия ФИП на обрабатываемую структуру определяются шаблоном, который задается при помощи управ. -ми: с помощью стандартных средств программы управления системой ФИП, в виде графических растровых файлов формата *.bmp, а также в виде потоковых ASCII-файлов [5].
Методика проведения экспериментальных исследований заключалась в сле-: 25 -
тур в виде углублений при различных значениях параметров ионно-лучевого воздействия (рис. 2,а). Шаблон для травления представлял собой потоковый ASCII- , , -
дой точке и число проходов ионного луча по структуре, при этом сканирование ионного пучка по шаблону осуществляется последовательно, от точки к точке, по .
В работе в ходе экспериментальных исследований для выявления влияния технологических режимов травления ФИП на характеристики формируемых нано-размерных объектов и кинетику ионно-лучевого травления, по шаблону формиро-3 .
В первом ряду варьировалось время воздействия ионного пучка в каждой точке в диапазоне от 600 мкс до 9,6 мс при 50 проходах ионного пучка (рис. 2,6). Во втором ряду при фиксированных значениях времени воздействия в точке, равном 9,6 мс, ускоряющего напряжения 30 кэВ и двух значениях числа проходов 10 и 100, варьировался ток ионного пучка в диапазоне от 1 пА до 7 нА. В третьем ряду массив формировался при сходных параметрах и диапазоне токов от 30 пА до
1 нА, при этом шаблон формировался стандартными средствами программы управления РЭМ Nova NanoLab 600 FEI xTUI 3.6.1 за счет задания фиксированно, 500 .
По аналогичной методике производились экспериментальные исследования влияния ускоряющего напряжения на параметры формируемых наноструктур. Ускоряющее напряжение ФИП варьировалось в диапазоне 5-30 кэВ при фиксированном токе ионного пучка - 0,1 нА и времени воздействия пучка в точке - 1 мс.
a
Рис. 2. АСМ-изображение (а) и профилограмма вдоль линии (б) массива 25 наноразмерных структур, сформированных локальным травлением ФИП при различных значениях времени воздействия ионного пучка в точке
Контроль проведения технологического процесса осуществлялся in situ методом РЭМ на Nova NanoLab 600. После формирования структур при различных технологических параметрах проводились исследования подложки в модуле сверхвысоковакуумной сканирующей зондовой микроскопии нанотехнологиче-
-9 -
( ).
На втором этапе работы производились экспериментальные исследования скорости травления полупроводниковых материалов методом ФИП. В качестве подложек для проведения исследований были использованы образцы кремния, карбида кремния и арсенида галлия размером 10x10 мм. С помощью графического редактора был сформирован растровый шаблон формата *.bmp, который представ-
9 2 2 2. -
гружался программой управления микроскопа и использовался для формирования тестовых элементов при исследовании ионно-лучевого травления. Травление каждого элемента производилось при ускоряющем напряжении ионного пучка 30 кэВ, времени воздействия ионного пучка в каждой точке шаблона 1 мкс, время травления каждого элемента - 60 с, ток ионного зонда варьировался от 10 пА до 1 нА. Контроль геометрических параметров формируемых структур осуществлялся методом РЭМ при помощи встроенных программных средств обработки изображений, а также методом полуконтактной атомно-силовой микроскопии на зондовой нанолаборатории Ntegra Vita (ЗАО «Нанотехнология-МДТ», Россия). На рис. 3 - , -ке карбида кремния.
Скорость травления материалов определялась по количеству распыленного материала в единицу времени для каждого значения тока ионного пучка.
После формирования структур и их исследования методом ACM проводилась статистическая обработка массива полученных экспериментальных результатов. Статистическая обработка АСМ-изображений производилась с использованием программного пакета Image Analysis 2.0, который поставляется ЗАО «Нанотехно-
- » .
Рис. 3. РЭМ-изображение тестовой топологии, сформированной на подложке
карбида кремния
На основании полученных статистических данных были построены зависимости (рис. 4-7) средних значений диаметра и глубины наноразмерных структур, сформированных ионно-лучевым травлением, от тока ионного пучка при различных значениях числа проходов пучка по шаблону и различных типах шаблонов, а также от времени воздействия ионного пучка в точке и ускоряющего напряжения.
Ток ионного пучка, нА Ток ионного пучка, нА
а б
Рис. 4. Зависимости диаметра (а) и глубины (б) наноразмерных структур от тока ионного пучка при 10 и 100 проходах ионного пучка по шаблону, заданному в
виде потокового файла
Анализ полученных зависимостей показывает, что при увеличении значения тока ионного пучка увеличиваются геометрические размеры наноразмерных струк-.
ионного пучка и увеличением размеров ионного зонда. Установлено, что увеличение числа проходов пучка по шаблону в 10 раз приводит к увеличению глубины и латеральных размеров наноструктур примерно в 1,5-2 раза. Анализ зависимости на рис. 5 показал, что при таком способе формирования шаблонов травления при токе выше 0,5 250 -
ное перекрытие, однако при этом глубина травления продолжает возрастать монотонно. Кроме этого, необходимо отметить, что при увеличении тока ионного пучка в
10 раз с 0,1 до 1 нА, средний диаметр наноструктур возрастает примерно в 2,5 раза, когда как средняя глубина - примерно в 8 раз.
Ток ионного пучка, нА Ток ионного пучка, нА
а
Рис. 5. Зависимости диаметра (а) и глубины (б) наноразмерных структур от тока ионного пучка при 4 проходах ионного пучка по шаблону, заданному стандартными средствами программы управления системой
Из зависимостей, представленных на рис. 6, следует, что увеличение времени воздействия в точке приводит к увеличению геометрических параметров нанораз-. , воздействия ионного пучка в точке скорость травления по глубине возрастает в несколько раз быстрее, чем скорость латерального травления. Это объясняется ,
геометрические размеры и энергетические характеристики ФИП остаются неиз-.
Рис. 6. Зависимости диаметра (а) и глубины (б) наноразмерных структур от времени воздействия ионного пучка в точке при 100 проходах ионного пучка по
,
Из анализа зависимостей диаметра и глубины наноразмерных струкур от ускоряющего напряжения (рис. 7) следует, что с увеличением ускоряющего напряжения интенсивность травления падает, а разрешающая способность увеличивает-
ся. Таким образом, наилучших характеристик фокусировки ионного пучка удается достичь при максимальных значениях ускоряющего напряжения пучка. Для формирования структур диаметром ~ (10-20) нм целесообразно применять малые значения тока фокусированного ионного пучка (1-50 пА) при максимальном значении ускоряющего напряжения (30 кэВ). Эффективно управлять глубиной травле,
(600 мкс - 5 мс).
Ускоряющее напряжение. кэВ Ускоряющее напряжение, кэВ
а б
Рис. 7. Зависимости диаметра (а) и глубины (б) наноразмерных структур от ускоряющего напряжения ионного пучка
Зависимость скорости ионно-лучевого травления от тока ионного пучка (рис. 8) позволяет оценить интенсивность удаления материала при определенных параметрах ионно-лучевого воздействия. С увеличением тока ионного пучка возрастает скорость травления полупроводниковых материалов. Это объясняется тем, что при увеличении тока возрастает диаметр ионного луча и увеличивается плотность потока энергии в пучке. Соответственно за аналогичный промежуток времени (равный времени воздействия пучка в точке) большее количество ионов попадает на поверхность подложки, а значит, большее количество атомов поверхности выбивается при ионной бомбардировке, что приводит к ускорению процесса травления [4].
Анализ скоростей травления различных полупроводниковых материалов показал, что наименьшая скорость травления наблюдается у карбида кремния, а наибольшая - у арсенида галлия. При травлении арсенида галлия фокусированным ионным пучком был обнаружен эффект появления наноразмерных капель на поверхности полупроводника после ионной обработки. На кремнии и карбиде кремния подобных эффектов не наблюдалось. Это может быть объяснено тем, что при воздействии ионов галлия на ОаАБ в полупроводнике происходит разрушение связей Оа и Аб. Разрушение связей, а также накопление в структуре имплантированного галлия приводит к образованию его избыточной концентрации и возникновению капель на поверхности подложки.
На основании результатов проведенных исследований и оптимизации диапазонов технологических режимов на кремниевой подложке методом ФИП сформирован тестовый элемент нанофлюидики (рис. 9), который представляет собой систему каналов и резервуаров для экспресс-диагностики микроколичеств жидкости, содержащую мембрану с наноразмерными отверстиями для фильтрации наноразмерных частиц. Диаметр отверстий в мембране составляет ~ 100 нм.
О 0.1 0.2 0.1 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 I 1.1
Ток ионного пучка, нА
Рис. 8. Зависимости скорости травления полупроводниковых материалов от тока фокусированного ионного пучка
а
Рис. 9. РЭМ-изображения тестового элемента нанофлюидики сформированного
методом ФПП
Сформированная тестовая структура может использоваться в качестве мембранного фильтра в лабораториях на кристалле, а так же как элемент микрожидко-стных ячеек в нанофлюидике.
В результате проведенных исследований определены режимы субмикронного профилирования полупроводниковых структур методом фокусированных ионных ,
структур, сформированных на кремниевой подложке от тока ионного пучка, ускоряющего напряжения и времени воздействия в точке. Установлено, что для формирования структур с размерами порядка десятков нанометров целесообразно применять значения тока ионного пучка в диапазоне 1-50 пА, ускоряющего напряжения 30 кэВ при значениях времени воздействия пучка в точке менее 1 мс. Определены зависимости скоростей травления полупроводниковых материалов от тока ионного пучка. Полученные результаты показывают, что определяющим фак-
тором, влияющим на скорость травления при постоянном ускоряющем напряжении, является ток ионного пучка. Сформирована структура тестового элемента нанофлюидики на основе системы микроканалов и мембран с нанометровыми отверстиями на кремниевой подложке. Результаты, полученные в настоящей работе, могут быть использованы при разработке технологических процессов формирования перспективной элементной базы наносистемной техники.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Мальi^ee П.П. Нано- и микросистемная техника. От исследований к разработкам // Сборник статей. - М.: Техносфера, 2005. - 592 с.
2. Чат ыгин Ю.Л. Нанотехнологи и в электронике. - М.: Техносфера, 2005. - 448 с.
3. Лучинин В.В. Нанотехнологии: физика, процессы, диагностика, приборы. - М: Физмат-лит, 2006. - 552 с.
4. Giannuzzi L.A., Stevie F.A. Introduction to focused ion beams: instrumentation, theory, techniques and practice. New York: Springer, 2004. - 357 p.
5. Wilhelmi O. Nanofabrication and rapid prototyping with Dual Beam instruments // FEI Company application note. - 2007. - http://www.fei.com.
6. . ., . . - -стемной техники // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2008. - № 12 (89). - С. 165-175.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н. А.С. Кужаров.
Агеев Олег Алексеевич
Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: ageev@fep.tti.sfedu.ru.
347928, . , . , 2.
.: 88634371611.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; заведующий кафедрой; д.т.н; профессор.
Коломийцев Алексей Сергеевич E-mail: alexey.kolomiytsev@gmail.com.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; acnnpanT.
Громов Александр Леонидович
E-mail: groall@tti.sfedu.ru.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; магистрант.
Ильин Олег Игоревич
E-mail: ru.saint@gmail.com.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; студент.
Ageev Oleg Alexeevich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: ageev@fep.tti.sfedu.ru.
2, Shevchenko Street, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371611.
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Head the Department; Dr. of Eng. Sc., Professor.
Kolomiytsev Alexey Sergeevich
E-mail: alexey.kolomiytsev@gmail.com.
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Postgraduate Student.
Gromov Alexandr Leonidovich
E-mail: groall@tti.sfedu.ru.
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Undergraduate.
Ilin Oleg Igorevich
E-mail: ru.saint@gmail.com.
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Student.
УДК 534.21:536.21
ЕЛ. Рындин, Б.Г. Коноплев, В.В. Винарьева
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ТЕРМОАКУСТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА*
Разработана модель наноразмерных термоакустических излучателей на основе нестационарного уравнения теплопроводности и программные средства численного модели.
и в окружающей воздушной среде. Получены зависимости амплитуды изменения температуры стержней термоакустического излучателя от частоты входного сигнала, от рас-
( ), -ния стержней излучателя. Выполнена оценка мощности, отводимой от прибора посредст-.
.
Термоакустика; акустический излучатель; модель; программа моделирования.
E.A. Ryndin, B.G. Konoplev, V.V. Vinaryeva
MODELING OF NANODIMENSIONAL ACOUSTIC SPEAKERS ON THE BASIS OF THERMOACOUSTIC EFFECT
The model of nanodimensional thermoacoustic radiators on the basis of the non-stationary equation of heat conductivity and software of numerical modeling is developed. Dynamics of temperature in a thermoacoustic radiator and in the surrounding air environment is investigated. Dependences of amplitude of temperature of cores of a thermoacoustic radiator on frequency of an input signal, on distance between a radiator and a heat-conducting path (substrate), from the area of cross-section section of cores of a radiator are received. The estimation of the power which is taken away from the device by means of radiation is executed. The analysis of results of numerical modeling is carried out.
Thermoacoustics; an acoustic speaker; model; the modeling program.
В настоящее время исследования по термоакустике, изучающей взаимные преобразования тепловых и звуковых потоков, фактически объединены в специальный раздел акустики. Описанию способов возбуждения звука с помощью тепла посвящена работа Рэлея [1], первое издание которой вышло в 1877 г. Сам Рэлей ссылается на работы Фарадея, Зеебека, Тиндаля, выполненные в первой половине XIX века, когда данные эффекты представляли чисто научный интерес и были лишь изящными, достаточно сложными примерами неустойчивости [2].
* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (госконтракты № П1224 от 27.08.2009 г. и № 16.740.11.0425 от 03.12.2010, проект 2.1.2/10229).
