Способ формирования объемной структуры

 

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. Сущность: способ формирования объемной структуры, состоящей из областей, отличающихся по химическому составу, заключается в том, что на подложку наносят несколько рабочих слоев из различных двух- или многоатомных веществ, размещают полученную заготовку в камере, содержащей источник ускоренных частиц, создают в ней вакуум и облучают модулированным пучком ускоренных частиц. Энергию частиц, 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. 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 обученного вещества от дозы облучения. Технический результат изобретения: обеспечение выбора оптимальных условий формирования структур при использовании пучка ускоренных частиц. 7 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

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 и плотности выделений вторичных фаз, определяющих их физические, химические и механические характеристики. 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 толщиной несколько сотен нанометров, в том числе многослойные. Для повышения плотности размещения элементов паттернированных структур приходится подбирать такую энергию, чтобы все горло колбы рассеяния совпадало 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 использования потока частиц с относительно небольшими энергиями. 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).

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.

Заявляемый в качестве изобретения способ формирования объемной паттернированной структуры направлен на выбор оптимальных условий формирования структур при использовании пучка ускоренных частиц.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания способа формирования многослойной паттернированной структуры с заданными параметрами, при реализации которого обеспечивается возможность создания на одной подложке многослойных структур, элементы которых отличаются проводящими, магнитными, оптическими и другими физическими свойствами и входят в состав приборов различного назначения, Для этого требуется способ, который обеспечивает предельное совмещение рисунков в различных слоях, исключает повреждения рисунка нижележащего слоя, что расширяет функциональные возможности способа, повышает производительность и улучшает качество изготовления изделий.

Указанный результат достигается тем, формирования объемной паттернированной структуры, состоящей из областей, отличающихся по химическому составу, 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. Указанный технический результат достигается также тем, что 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

Указанный результат достигается также тем, что заготовку сначала облучают потоком ускоренных частиц через один шаблон или маску, а затем через другой шаблон или маску подвергают обработке потоком частиц, вступающих в реакцию с металлом или полупроводником на некоторых из участков, обработанных через первый шаблон или маску, что обеспечивает восстановление диэлектрических свойств материала заготовки на этих участках.

Указанный результат достигается также тем, что заготовку облучают потоком ускоренных частиц через один шаблон, в котором выполнен рисунок в виде сквозных и/или несквозных отверстий различной глубины, и последующую обработку заготовки через этот же шаблон потоком ионов неметаллов, обеспечивающих восстановление диэлектрических свойств материала заготовки в требуемых областях, при этом шаблон выполняют с толщиной превышающей длину проективного пробега в нем используемых ускоренных частиц.

Указанный результат достигается также тем, что в качестве ускоренных частиц используют протоны или электроны.

Указанный результат достигается также тем, что в качестве ускоренных частиц используют ионы гелия.

Указанный результат достигается также тем, что в качестве ускоренных частиц используют атомы водорода или гелия.

Указанный результат достигается также тем, что в качестве материала заготовки используют двух- или многоатомные соединения химических элементов с кислородом, водородом, азотом, фтором, углеродом или с их комбинацией.

Приведенные выше условия подбора энергий частиц и дозы облучения выбранных участков при создании определенного вакуума в рабочем объеме камеры, в которой осуществляется способ, позволяют создавать объемные структуры с высокой разрешающей способностью при использовании заготовок (однослойных или многослойных) толщиной несколько сотен нанометров.

Действительно, как показывают опыты, если повышать энергию пучка ускоренных частиц, то высота горла колбы рассеяния возрастает, т.е. появляется возможность создания более высокоплотных структур в более толстых слоях. Одновременно с этим увеличивается длина проективного пробега частиц, т.е. увеличивается толщина слоя материала, через которую могут пройти частицы и обеспечить селективное удаление требуемых атомов. Однако повышение энергии частиц в пучке не может происходить выше некоторых пределов. В частности, при очень высоких энергиях частиц возможен перегрев заготовки до ее плавления. С другой стороны, энергия ускоренных частиц должна быть такова, чтобы поперечный размер колбы рассеяния используемого пучка ускоренных частиц или ее части в обрабатываемых слоях (или слое) вещества был бы меньше промежутка между облученными участками с тем, чтобы колбы рассеяния соседних облученных участков не смыкались между собой. Если смыкание будет происходить, то дискретность сформированных, например, проводящих участков в непроводящей матрице будет нарушена, а значит, требуемая паттернированная структура (например, проводящий рисунок в непроводящей матрице) не будет сформирована из-за замыкания электропроводящих элементов между собой.

Таким образом, на величину энергии ускоренных частиц накладываются в некоторой мере противоречивые требования, зависящие еще и от вещества рабочих слоев и от суммарной толщины формируемой структуры.

При этом параметры частиц и толщина слоя данного вещества, равная длине продольного пробега, являются взаимосвязанными, зависящими, в том числе, и от свойств самого вещества. Например, увеличивая энергию частиц, мы увеличиваем длину продольного пробега, но при этом для одного вещества (при равенстве энергий и массы частиц) эта длина может иметь одно значение, а для другого - другое, существенно отличающееся от первого. Естественно, для того чтобы обеспечить селективное удаление атомов определенного сорта в самом нижнем слое частица должна пройти все слои, составляющие структуру и иметь достаточную энергию для удаления атомов требуемого сорта по всей толщине нижнего слоя. Поэтому целесообразно изготавливать слои с толщиной, не большей длины продольного пробега данных частиц в каждом из слоев, а суммарная толщина также не должна превышать длину их продольного пробега в "сэндвиче". Нижний предел толщины будет ограничиваться нарушением сплошности слоя или уменьшением его толщины до такой степени, что вещество перестанет проявлять присущие ему свойства (такое может происходить, если наносить слой вещества толщиной, меньшей 1-2 нм). Верхняя граница суммарной толщины "сэндвича" и отдельных слоев зависит от конкретного вида используемых для селективного удаления частиц, их энергии и химического состава "сэндвича", а также от плотности материала входящих в него слоев.

В частности, если толщина формируемой структуры относительно велика (300-700 нм), то приходится подбирать энергию частиц такую, чтобы, с одной стороны, она обеспечивала требуемую длину проективного пробега, а с другой - требуемые размеры колбы рассеяния. При малых толщинах заготовки (10-50 нм) может оказаться, что и при малых энергиях будет обеспечен удовлетворительный размер части колбы рассеяния, приходящийся на обрабатываемый слой материала, но этой энергии может не хватить для удаления требуемого сорта атомов для изменения проводимости, поэтому при подборе величины энергии частиц следует учитывать и это обстоятельство.

С другой стороны, при использовании “толстых” заготовок может оказаться, что энергия, необходимая для обеспечения прохождения всех слоев настолько велика, что наряду с атомами, подлежащими удалению, будут частично смещаться и удаляться атомы, которые должны остаться. Это может привести к тому, что в обработанных участках не будут возникать требуемые свойства вещества. Например, если требуется в слое окиси меди, входящем в состав многослойной заготовки удалить атомы кислорода, а вместе с ним начнут удаляться и атомы меди, то в обрабатываемых участках может недопустимо снизиться количество оставшегося материала (меди). Отсюда следует необходимость подбора дозы, требуемой для обработки.

Поэтому оптимальную величину дозы облучения следует выбирать как минимальную и достаточную для того, чтобы в облучаемых участках произошло требуемое изменение свойств, т.е. достижение требуемых параметров. Это может быть, например, достижение требуемого уровня сопротивления формируемого проводника или требуемого значения намагниченности насыщения или коэрцитивной силы создаваемых магнитных битов. Поэтому для принятия решения о выборе дозы облучения для каждой задачи предварительно исследуют дозную зависимость изменения свойств облучаемого вещества (фиг.1, 2).

Кроме того, следует учитывать то обстоятельство, что по мере увеличения толщины обрабатываемых слоев и энергий, используемых с этой целью ускоренных частиц пучка, профиль повреждаемости материала заготовки (т.е. скорость смещения атомов на различных глубинах) по толщине теряет однородность, что приводит к различиям в изменениях химического состава материала в результате селективного удаления выбранного сорта атомов. Чтобы добиться однородности химического состава облученного материала по толщине за оптимальный промежуток времени необходимо изменять во времени энергию пучка по заданному закону, который обеспечивает однородность профиля повреждаемости по глубине. С этой целью необходимо экспериментально определять профили концентрации удаляемого сорта атомов при различных значениях энергии. Для этого можно использовать несколько методов: либо с использованием методов аналитической трансмиссионной электронной микроскопии строить концентрационный профиль на поперечных срезах облученных образцов, либо использовать послойный анализ состава облученного образца с использованием методов рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии или вторичной ионной масс-спектроскопии. С учетом полученных результатов выбирать закон изменения энергии пучка во время облучения (фиг.4).

Если использовать для формирования структуры один шаблон и через него облучать потоком частиц многослойную заготовку, то мы получаем слои с одинаковым рисунком и с их идеальным совмещением, но разными физическими свойствами. Если же облучать такую многослойную заготовку через один шаблон с образованием, например, металлических участков, а затем через другой шаблон подвергать обработке другими частицами, которые, вступая в реакцию с веществом некоторых ранее облученных участков в верхних слоях "сэндвича", то диэлектрические свойства в этих слоях на соответствующих участках возвращаются. Если повторять такую процедуру неоднократно, то можно создавать объемную паттернированную структуру с различными рисунками и свойствами в разных слоях.

Выполнение шаблона с рисунком в виде сквозных или несквозных отверстий, но с различной глубиной, и последовательное использование пучков из разного сорта ионов или атомов (например, пучков протонов и пучков ионов кислорода) дает возможность облучением через один шаблон создавать разные рисунки, например, проводов в разных слоях и/или обеспечивать межслоевые соединения и этим самым решать проблему совмещения рисунков разных слоев, участвующих в формировании объемной паттернированной структуры. В известных же технических решениях для этого приходилось использовать по несколько шаблонов (для каждого из слоев - свой).

Действительно, если взять и поставить между источником ускоренных частиц и обрабатываемым материалом пластинку переменной толщины, то до обрабатываемого материала дойдет ослабленный по-разному, в зависимости от толщины пластины, пучок частиц. Соответственно, этот пучок проникнет на различную глубину в обрабатываемый материал и, соответственно, на различную глубину будут преобразованы диэлектрические свойства обрабатываемого материала в проводящие. Поэтому, в зависимости от глубины отверстия в шаблоне, будет происходить и “металлизация” на различную глубину в участках обрабатываемых материалов, находящихся под этими отверстиями. Создание сквозных отверстий в шаблоне позволяет решить сразу две задачи. С одной стороны, обеспечить “металлизацию” на большую глубину по сравнению с тем, что обеспечивают несквозные отверстия в шаблоне, а с другой - через эти сквозные отверстия беспрепятственно будет проходить пучок ионов, обеспечивающий восстановление диэлектрических свойств в участках обрабатываемого материала, находящихся под этими отверстиями, что расширяет возможности формирования сложных проводящих или иных паттернированных структур.

Кроме того, через эти сквозные отверстия, варьируя параметры облучения ускоренными частицами и используемые материалы слоев, можно формировать многократно чередующиеся слои “металл - диэлектрик - металл - диэлектрик- полупроводник - магнитный материал - немагнитный материал и т.п.”.

Естественно, что для того, чтобы в формируемой паттернированной структуре сохранялись участки с первоначальными свойствами материала, необходимо, чтобы толщина шаблона обеспечивала полную задержку потока частиц в требуемых местах. Для этого она должна быть больше длины проективного пробега используемых ускоренных частиц в материале шаблона.

Использование для облучения пучков ускоренных частиц позволяет обеспечить преобразование проводящих свойств материала заготовки путем перевода из диэлектрического состояния в металлическое или более проводящее, что является следствием взаимодействия ускоренных частиц с веществом заготовки и изменения его химического состава.

Как было установлено экспериментально, в качестве ускоренных частиц, обеспечивающих преобразование проводящих свойств материала заготовки, могут быть использованы пучки электронов, протонов, ионов гелия, а также атомов водорода и гелия.

Материал заготовки может быть выбран из числа известных диэлектриков - многоатомных соединений химических элементов с кислородом, водородом, азотом, фтором, углеродом или с их комбинацией. В перечисленных материалах под воздействием ускоренных частиц происходит изменение химического состава материала, а именно - в облученных участках этих материалов остаются практически только атомы металлов или полупроводников или их требуемая концентрация за счет селективного удаления атомов неметаллов - кислорода, водорода, азота или фтора. При использовании в качестве материала заготовки органических соединений (углеводородов, элементоорганических соединений) можно удалять либо атомы водорода, либо атомы кислорода по отдельности, либо в различных комбинациях. Например, при использовании в качестве материала заготовки металлоорганических соединений при совместном удалении кислорода, водорода и углерода на подложке в облученных участках останутся только атомы металла. При использовании в качестве материала заготовки углеводородов и при совместном удалении кислорода, водорода на подложке будет оставаться углерод.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примерами его реализации и чертежами. На фиг.1 показана дозная зависимость электросопротивления, на основании которой выбирают при данной энергии время облучения для достижения требуемого уровня свойств создаваемых проводников. На фиг.2. показана аналогичная зависимость намагниченности насыщения, которую используют в случае формирования магнитного рисунка в немагнитной матрице. На фиг.3 показан поперечный разрез формируемой объемной структуры в идеальном случае; на фиг.4 показано изменение по толщине концентрации удаляемого сорта атомов (концентрационный профиль) при малых (а), средних (б, в) и больших (г) энергиях пучка ускоренных частиц; на фиг.5 схематично показана последовательность операций формирования структуры с использованием одного шаблона; на фиг.6 схематично показана последовательность операций формирования структуры с использованием разных шаблонов и разных частиц; на фиг.7 схематично показана последовательность операций формирования структуры с использованием шаблона со сквозными и несквозными отверстиями.

Пример 1. В общем случае способ формирования объемной паттернированной структуры осуществляется следующим образом. На подложку 1 (фиг.3), которая может быть выполнена из монокристаллического или поликристаллического кремния, алюминия, двуокиси кремния и т.п. наносят либо один, либо несколько рабочих слоев 2 из одного и того же или различных двух- или многоатомных веществ. В качестве таковых преимущественно могут быть использованы соединения металлов или полупроводников с кислородом, водородом, азотом, фтором углеродом или с их комбинацией. Полученные заготовки помещают в рабочую камеру, содержащую источник ускоренных частиц, и создают в ней вакуум 10¹²-10¹⁷ Па. В качестве ускоренных частиц могут быть использованы электроны, протоны, ионы гелия, атомы водорода или гелия. Заготовки облучают потоком 3 ускоренных частиц с предварительно определенным значением энергии через шаблон (маску) 4. 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 3 ускоренных частиц происходит преобразование исходных свойств рабочих слоев на облучаемых участках 5 (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.

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 размер и форма колбы рассеяния 6, которая может образоваться в сформированной заготовке, рассчитывается доля удаляемых легких атомов, а при высоких энергиях и доля более тяжелых удаляемых атомов. Величину энергии выбирают такую, чтобы, с одной стороны, не происходило смыкание колб рассеяния между собой, а с другой - не удалялось бы заметное число атомов 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.

Как видно на фиг.3, в идеальном случае в рабочих слоях, при формировании рисунка с измененными свойствами, размещается только горло колбы рассеяния, а само тело колбы - в подложке. При этом, как показано на чертеже, возможно и их смыкание, поскольку это не оказывает какого-либо влияния на разрешение формируемой структуры.

Если же толщина обрабатываемых слоев формируемой структуры невелика и поперечные размеры возникающей колбы рассеяния малы, то рассчитывается значение энергии частиц, которой достаточно для селективного удаления легких атомов, обеспечивающих необходимое изменение исходных свойств, но не менее энергии, обеспечивающих при этом длину проективного пробега большую, чем толщина всех рабочих слоев заготовки.

При экспериментальном определении энергии ускоренных частиц, необходимой для формирования объемной паттернированной 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.1, 2). 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 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 определяются размеры и формы колб рассеяния. По результатам выбираются те значения энергий, которые удовлетворяют заданным геометрическим параметрам формируемой структуры.

В ряде случаев целесообразно использовать и расчетный и экспериментальный методы определения оптимальных значений энергий частиц, необходимых для реализации способа. Сначала расчетным путем значение энергии частиц определяется приблизительно, а затем уточняется проведением предварительных экспериментов. Это позволяет сэкономить время и средства, необходимые для выбора вида и энергии ускоренных частиц для их использования в технологическом процессе формирования объемной 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, но при этом выбирают закон изменения во времени энергии пучка ускоренных частиц, чтобы обеспечить равномерность концентрации удаляемых атомов выбранного сорта по толщине рабочих слоев (см. фиг.4). Сначала экспериментально определяют профиль концентрации удаляемого сорта атомов при различных значениях энергии. Для этого проводят послойный анализ состава облученного образца с использованием методов рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. С учетом полученных результатов выбирают закон изменения энергии пучка во время облучения.

Способ реализуется следующим образом. 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. 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 в части создания вакуума в рабочей камере, подбора энергии ускоренных частиц и дозы облучения осуществляют, как описано в примере 1, но при формировании структуры используют несколько различных шаблонов. Сначала многослойную заготовку облучают потоком ускоренных частиц и формируют структуру с одинаковым рисунком во всех рабочих слоях. Затем над заготовкой или на ее поверхности размещают другой шаблон, отверстия в которых выполнены так, что некоторые из них совпадают с местом расположения обработанных участков (в которых произошло изменение проводящих свойств вещества) и обрабатывают потоком частиц, вступающих в реакцию с атомами металла или полупроводника, образовавшимися в результате облучения через первый шаблон. В качестве таких частиц могут быть использованы ионы удаленных атомов (кислорода, азота, фтора, водорода) или других. В результате прохождения реакции в таких участках будут восстановлены диэлектрические (первоначальные) свойства тех слоев, в которые проникнут эти ионы. В этом случае возможно формирование объемной структуры, в которой разные слои будут иметь различные рисунки с измененными свойствами. Однако использование нескольких шаблонов для создания одной структуры создает технологические проблемы, связанные с обеспечением точного позиционирования различных шаблонов над одной и той же заготовкой.

Пример 4. Способ реализуется, как описано в примере 1, но с использованием шаблона, имеющего не только сквозные отверстия, но и несквозные, различной глубины. В общем случае способ изготовления объемной проводящей структуры осуществляется следующим образом (см. фиг.7).

На подложку 1, которая может быть выполнена из кремния, алюминия или двуокиси кремния и т.п., наносят слой или несколько различных слоев материала заготовки 2 требуемой толщины. В качестве материала заготовки используют различные оксиды, гидриды, нитриды или фториды металлов или полупроводников.

Затем заготовку облучают пучком ускоренных частиц, в качестве которых используют протоны, атомы водорода, атомы и ионы гелия. Облучение может осуществляться через шаблон 3, в котором выполнены сквозные и/или несквозные отверстия различной глубины в соответствии с заданным рисунком, и расположенный непосредственно на заготовке, состоящей из одного или нескольких различных слоев,

Под воздействием пучка 4 ускоренных частиц в материале происходит преобразование его исходных диэлектрических свойств на облучаемых участках 5 в проводящие или полупроводящие за счет селективного удаления атомов неметаллов. При этом, в зависимости от глубины отверстия, преобразование этих свойств происходит на различную глубину в одном или различных слоях материала заготовки (фиг.7 “в”). Затем, после облучения ускоренными частицами осуществляют обработку заготовки через этот же шаблон потоком ионов, обеспечивающих восстановление исходных свойств в верхних слоях заготовки (фиг.7“с”). При этом в качестве таких ионов могут быть использованы не только ионы удаленных атомов, но и ионы другого вида. Например, при обработке заготовки, выполненной из нитрида алюминия или нитрида меди, или нитрида галлия под воздействием потока ускоренных частиц будут удаляться атомы азота, а восстановление диэлектрических свойств в требуемых участках может осуществляться путем воздействия на заготовку потоком ионов кислорода, а в частных случаях даже достаточно извлечь заготовку из вакуумной установки и оставить ее на воздухе без удаления шаблона. При достаточно высокой химической активности металла заготовки уже этого будет достаточно для восстановления исходных диэлектрических свойств. Например, алюминий очень быстро окисляется кислородом воздуха, переходя в оксид алюминия, обладающего диэлектрическими свойствами. После завершения процесса формирования шаблон 4 удаляется известным образом (например, химическое травление, реактивное травление, механическое удаление) (см. фиг.7“d”). Таким образом, с помощью одного шаблона может быть сформирована объемная проводящая или иная многоуровневая структура, разная в разных слоях заготовки.

Пример 5. Способ реализовывался по общей схеме, как описано в примере 3, 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 нанесен слой материала заготовки требуемой толщины. Вакуумная камера откачивалась сначала форвакуумным и турбомолекулярным насосом, а затем ионным до давления 10^-7 Па. В качестве источника протонов можно использовать любой из числа известных, например высокочастотный. На пути пучка ионов устанавливался шаблон, выполняемый из известных резистов по известной технологии, толщиной 0,3 мкм и размером 50×50 мм с изготовленными в ней рядами отверстий различной глубины диаметром 100 нм и сквозными прорезями в виде линий шириной 100 нм и длиной 0,5 мм и расстоянием между ними 300 нм. 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. Режимы для каждого вида материала и толщины заготовки подбирались экспериментально, некоторые из параметров, обеспечивающих достижение результата, приведены в таблице.

После завершения обработки заготовки протонами, она обрабатывалась потоком ионов, обеспечивающих восстановление удаленных атомов. В большинстве случаев для этого использовался пучок ионов кислорода, а иногда - ионы азота или ионы фтора.

Пример 6. Способ реализуют по общей схеме, описанной в примере 1.

На подложку, выполненную из монокристаллического кремния размером 5×5×0,4 мм методом магнетронного распыления нанесен слой гидрида лантана толщиной 50 нм, а поверх него слой SiО₂ толщиной 10 нм. В данном случае пороговая энергия, необходимая для селективного удаления атомов водорода в гидриде лантана и атомов кислорода в оксиде кремния в доступных литературных данных не приводится. В связи с этим определение пороговой энергии смещения атомов водорода и кислорода, требуемой для их селективного удаления, определялась экспериментально отдельно для каждого материала. В качестве ускоренных частиц были выбраны электроны. Для этого использовали электронную пушку, ускоряющее напряжение в которой изменяли от 40 до 200 кэВ. При этом появление металлического лантана фиксировали несколькими методами: по виду дифракционной картины и по дозной зависимости электросопротивления (по достижению значений удельного электросопротивления, характерных или близких к металлическому лантану). При облучении электронами с энергиями от 40 до 80 кэВ удаление водорода из гидрида лантана с образованием металлического лантана не происходило.

Удаление кислорода из оксида кремния фиксировали по появлению характерных линий кремния спектрах энергетических потерь электронов. При облучении электронами с энергиями от 40 до 120 кэВ удаление кислорода из оксида кремния с образованием кремния не происходило.

Поэтому в дальнейшем при создании одинаковой структуры из лантана и кремния одновременно в двух слоях использовали электронный пучок с энергией 200 кэВ. Время облучения составляло 3 часа. При таком режиме обеспечивалась полнота превращения материалов в обоих слоях без нежелательного физического распыления верхнего слоя.

Пример 7. Способ реализуют по общей схеме, описанной в примере 1. На подложку, выполненную из монокристаллического кремния, размером 5×5×0,4 мм методом магнетронного распыления нанесен слой СuО толщиной 40 нм, а поверх него разделительный (изолирующий) слой SiO₂ толщиной 10 нм. После этого поверх слоя SiO₂ был нанесен слой Сo₃O₄ толщиной 40 нм и еще один защитный слой SiO₂ толщиной 10 нм. В результате исследования зависимости между дозой облучения и магнитными свойствами облучаемого Сo₃O₄ было установлено, что вполне удовлетворительные магнитные свойства в нем возникают при дозе 5×10¹⁸ ион/см² . Рассмотрение зависимости электропроводности СuО от дозы облучения показало, что при этой же дозе проявляются достаточно высокие проводящие свойства, а допустимый размер колбы рассеяния образуется при энергии 1,5 кэВ. Сформированную структуру облучали через один шаблон с заданным рисунком пучком протонов с энергией 1,5 кэВ в течение 90 мин. В результате облученные участки СuО за счет селективного удаления атомов кислорода трансформировались в Сu, т.е. в них произошло изменение свойств из диэлектрических в проводящие. Одновременно в слое Сo₃O₄ в облученных участках вследствие удаления атомов кислорода практически произошел переход из окисла в металл и, соответственно, из немагнитного состояния в ферромагнитное из-за превращения Сo₃O ₄ в металлический кобальт. В этом случае за счет использования одного шаблона для всей структуры в обоих слоях были одновременно сформированы одинаковые рисунки (магнитный и проводящий) с идеальным их совмещением одного над другим. При данных параметрах пучка протонов в изолирующем и защитном слоях оксида кремния значимых изменений их свойств не произошло.

Пример 8. Способ осуществляли в целом, как указано в примере 1. В качестве первого слоя был нанесен слой Сo₃O₄ толщиной 50 нм, а поверх него слой NiO толщиной 50 нм. Затем структуру облучили через шаблон со сквозными отверстиями пучком протонов с энергией 2.5 кэВ в течение 2 часов. Энергию и дозу облучения определяли, как описано в примере 7. В результате в облученных участках произошло селективное удаление атомов кислорода, в результате чего в них произошло практически полное превращение оксида кобальта в металлический кобальт, т.е. свойства из диэлектрических превратились в проводящие. А в верхнем слое произошло превращение из оксида никеля в чистый никель, в данном случае из оптически прозрачного состояния в существенно менее прозрачное или же происходило заметное изменение показателя преломления.

Пример 9. Способ осуществляли в соответствии с общей схемой, описанной выше. На кремниевую подложку наносили слой WO₃ толщиной 10 нм, а поверх него в качестве защитного слоя алмазоподобная пленка из углерода толщиной 5 нм. Полученную структуру облучали через шаблон пучком атомов гелия, который образовывался путем нейтрализации электронами пучка ионов гелия с энергией 2 кэВ. Облучение осуществляли в течение 15 мин, в результате чего в облученных участках в слое оксида вольфрама происходило селективное удаление атомов кислорода с образованием в них металлического вольфрама. При данных параметрах пучка атомов гелия в защитном слое из алмазоподобной пленки значимых изменений свойств не произошло. Таким образом, в диэлектрике был сформирован электропроводящий рисунок.

Пример 10. 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 нанесен слой материала заготовки требуемой толщины. Вакуумная камера откачивалась сначала форвакуумным и турбомолекулярным насосом, а затем ионным до давления 10^-7 Па. В качестве источника протонов можно использовать любой из числа известных, например высокочастотный. На пути пучка ионов устанавливался шаблон, выполняемый из известных резистов по известной технологии, толщиной 0,5 мкм и размером 50×50 мм с изготовленными в ней рядами отверстий различной глубины диаметром 100 нм и сквозными прорезями в виде линий шириной 100 нм, и длиной 0,5 мм, и расстоянием между ними 300 нм. 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. В частности, на подложку был нанесен слой оксида вольфрама толщиной 500 нм. По результатам предварительных экспериментов заготовку подвергали постадийно облучению потоком протонов с разными энергиями. Сначала его облучали пучком протонов с энергией 2.5 кэВ в течение 35 мин. Затем в течение 15 мин облучали с энергией 5 кэВ. После этого заготовку облучали потоком протонов с энергией 20 кэВ в течение 10 мин. И на последнем этапе - частицами с энергией 30 кэВ в течение 5 мин. Полученную структуру подвергли послойному анализу с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Результаты исследования показали, что практически по всей толщине заготовки была обеспечена равномерность изменений химического состава вещества заготовки.

Пример 11. Способ осуществлялся по общей схеме, изложенной в примере 2.

На подложку из монокристаллического кремния размером 5×5×0,4 мм методом магнетронного распыления были последовательно нанесены следующие слои: LaH₂ толщиной 120 нм, Сo₂O₃ толщиной 30 нм, CaF₂ толщиной 10 нм, GaN толщиной 20 нм, GeO₂ толщиной 50 нм, In₂O₃ толщиной 100 нм. В результате проведенных расчетов и последующих предварительных экспериментов было установлено, что оптимальным при формировании структуры с максимально возможным разрешением в такой заготовке является использование протонов с энергией 7 кэВ.

Облучение осуществляли в течение 3 часов. В результате этого во всей многослойной заготовке напротив сквозных отверстий в шаблоне произошло удаление легких атомов (газов), входящих в многоатомные вещества рабочих слоев, а следовательно, и связанное с этим изменение свойств. Затем над заготовкой был размещен другой шаблон, часть сквозных отверстий которого находилась над участками, где произошло удаление кислорода из оксида индия. Сквозь шаблон был направлен пучок ионов азота. В результате в участках напротив отверстий в шаблоне произошло превращение в нитрид индия и обратное превращение свойств - из проводящего в диэлектрическое, а полученная структура уже имела разные проводящие рисунки в разных слоях.

Пример 12. Способ осуществлялся так, как описано в примере 11, за исключением того, что после обработки потоком ускоренных частиц поверх верхнего слоя из нитрида алюминия с участками металлического алюминия был нанесен слой фоторезиста. Затем методом фотолитографии в слое фоторезиста были в нужных местах вскрыты окна для доступа воздуха. В результате те участки с металлическим алюминием, которые оказались доступны воздуху, превратились в оксид алюминия. Таким образом, произошло обратное преобразование проводящих участков в диэлектрические.

Пример 13. Способ осуществлялся так, как описано в примере 1, но в качестве обрабатываемого материала использовали лавсан - углеводородное соединение. Материал облучают пучком протонов с энергией 1,5 кэВ в течение 30 минут. При использовании в качестве материала заготовки углеводородов при облучении наблюдается совместное удаление кислорода, водород, а на подложке будет оставаться углерод. В результате на облученных участках наблюдается значительное потемнение материала.

Формула изобретения

1. Способ формирования объемной структуры, состоящей из областей, отличающихся по химическому составу, заключающийся в том, что на подложку наносят несколько рабочих слоев из различных двух- или многоатомных веществ, размещают полученную заготовку в камере, содержащей источник ускоренных частиц, создают в ней вакуум и облучают модулированным пучком ускоренных частиц, при этом энергию частиц 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.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку сначала облучают потоком ускоренных частиц через один шаблон или маску, а затем через другой шаблон или маску подвергают обработке потоком частиц, вступающих в реакцию с металлом или полупроводником на некоторых из участков, обработанных через первый шаблон или маску, обеспечивая восстановление диэлектрических свойств материала заготовки на этих участках.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку сначала облучают потоком ускоренных частиц через один шаблон, в котором выполнен рисунок в виде сквозных и/или несквозных отверстий различной глубины, и последующую обработку заготовки через этот же шаблон потоком ионов неметаллов, обеспечивающих восстановление диэлектрических свойств материала заготовки в требуемых областях, при этом шаблон выполняют толщиной, превышающей длину проективного пробега в нем используемых ускоренных частиц.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве ускоренных частиц используют протоны или электроны.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве ускоренных частиц используют ионы гелия.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве ускоренных частиц используют атомы водорода или гелия.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала заготовки используют многоатомные вещества из химических элементов, образующих соединения с кислородом, водородом, азотом, фтором, углеродом или с их комбинацией.

РИСУНКИ

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 17.07.2008

Извещение опубликовано: 10.07.2010        БИ: 19/2010

---