Нанотехнологический комплекс

Изобретение относится к нанотехнологическому оборудованию и предназначено для замкнутого цикла производства и измерения новых изделий наноэлектроники. Нанотехнологический комплекс включает робот-раздатчик с возможностью осевого вращения, сопряженный с камерой загрузки образцов и модулем локального воздействия, а также измерительный модуль, включающий сканирующий зондовый микроскоп, аналитическую камеру, монохроматор и источник рентгена. Измерительный модуль и аналитическая камера сопряжены с роботом-раздатчиком, монохроматор сопряжен с аналитической камерой, а источник рентгена - с монохроматором. Модуль локального воздействия содержит модуль фокусированных ионных пучков и первый растровый электронный микроскоп. Технический результат - расширение функциональных возможностей нанотехнологического комплекса. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к нанотехнологическому оборудованию и предназначено для замкнутого цикла производства и измерения новых изделий наноэлектроники.

Известен нанотехнологический комплекс, включающий блок загрузки носителей объектов (носителей зондов и носителей образцов) с объектами (зондами и образцами), блок подготовки объектов, камеру измерения, включающую сканирующий зондовый микроскоп, транспортную систему, блок формирования структур и блок локального воздействия [1].

Основной недостаток указанного комплекса заключается в отсутствии возможности его оперативной модификации с целью добавления технологических модулей.

Известен также нанотехнологический комплекс, включающий робот-раздатчик с возможностью осевого вращения, сопряженный с камерой загрузки образцов, модулем молекулярно-лучевой эпитаксии, модулем ионной имплантации и модулем подготовки подложек (образцов) [2]. Этот комплекс выбран в качестве прототипа предложенного решения.

Указанный комплекс имеет недостаточные измерительные и аналитические возможности.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей нанотехнологического комплекса.

Указанный технический результат достигается тем, что в нанотехнологический комплекс, включающий робот-раздатчик с возможностью осевого вращения, сопряженный с камерой загрузки образцов и модулем локального воздействия, введены измерительный модуль, включающий сканирующий зондовый микроскоп, аналитическую камеру, монохроматор и источник рентгена, при этом измерительный модуль и аналитическая камера сопряжены с роботом-раздатчиком, монохроматор сопряжен с аналитической камерой, а источник рентгена - с монохроматором, причем модуль локального воздействия содержит модуль фокусированных ионных пучков и первый растровый электронный микроскоп.

Существует вариант, в котором между роботом-раздатчиком и аналитической камерой установлен блок сопряжения.

Существует также вариант, в котором модуль локального воздействия соединен с двумя сильфонами, симметрично расположенными относительно него и закрепленными на каркасах.

Существует также вариант, в котором измерительный модуль снабжен вторым растровым электронным микроскопом и оптическим микроскопом.

Существует также вариант, в котором аналитическая камера содержит рентгеновский гониометр, снабженный сцинциляционным рентгеновским детектором, флуоресцентным рентгеновским детектором и линейным позиционно чувствительным рентгеновским детектором.

На фиг.1 представлена общая компоновочная схема нанотехнологического комплекса.

На фиг.2 представлена компоновочная схема модуля загрузки.

На фиг.3 представлена компоновочная схема модуля локального воздействия.

На фиг.4 представлена компоновочная схема измерительного модуля.

На фиг.5 представлена компоновочная схема блока сопряжения.

На фиг.6 представлена компоновочная схема аналитической камеры.

Нанотехнологический комплекс (Фиг.1) содержит робот-раздатчик 1, сопряженный: с модулем загрузки образцов 2, с модулем локального воздействия 3, с измерительным модулем 4, включающим сканирующий зондовый микроскоп 5 (СЗМ), и с блоком сопряжения 6, соединенным, в свою очередь, с аналитической камерой 7, блоком монохроматора (монохроматором) 8 и источником рентгена 9 (например, синхротроном). Образцы и их носители с целью упрощения чертежей на фиг.1 - 6 не показаны.

Модуль загрузки 2 может быть выполнен двухкамерным и состоять из камеры загрузки образцов 10 (Фиг.2), содержащей первый фланец быстрой загрузки 11, первые средства откачки 12 и первый линейный манипулятор 13. Камера загрузки 10 может быть соединена с камерой хранения образцов 14, в которой расположена кассета этажерочного типа 15, сопряженная со вторым линейным манипулятором 16. Камера хранения образов 14 может содержать вторые средства откачки 17. В качестве средств откачки могут использоваться комбинации безмасляного форвакуумного, турбомолекулярного и ионного насосов. Следует заметить, что на камере 14 может быть установлен второй фланец быстрой загрузки 18 и она может эксплуатироваться без камеры 10 с возможностью загрузки образцов непосредственно в нее. Между камерами 10 и 14 может быть установлен первый вакуумный затвор 18 и первый сильфон 19, а между камерой 14, роботом-раздатчиком 1 - второй вакуумный затвор 20 и второй сильфон 21.

Модуль локального воздействия 3 может содержать первую вакуумную камеру 22 (Фиг.3) с третьими средствами откачки 23, установленную на первом модуле активной виброзащиты 24 (см., например, [3]). В качестве средств откачки можно использовать комбинацию ионного и титанового сублимационного насосов. К камере 22 с разных сторон пристыкованы третий сильфон 25 с заглушкой 26, закрепленный на первом каркасе 27, а также четвертый сильфон 28, закрепленный на втором каркасе 29. Каркасы 27 и 29 могут быть объединены в один элемент. Между камерой 22 и роботом-раздатчиком 1 может быть установлен третий вакуумный затвор 30. В верхней части камеры 22 установлен модуль фокусированных ионных пучков (ФИЛ) 31, первый растровый электронный микроскоп (РЕМ) 32 и детектор вторичных электронов 33, вторичный ионный масс-спектрометр (ВИМС) 34 и ионизационный датчик Байярда-Альперта 35. Эти модули описаны также в [4, 5, 6, 7, 8]. В камере 22 может быть расположен двух - или трехкоординатный стол 36 на основе пьезоинерционных двигателей [9] со средствами захвата образцов 37.

Измерительный модуль 4 может содержать вторую вакуумную камеру 38 (Фиг.4) с четвертыми средствами откачки 39, установленную на втором модуле активной виброзащиты 40. В качестве средств откачки 39 можно использовать комбинацию ионного и титанового сублимационного насосов. Камера 38 может быть соединена с камерой сменных зондовых головок 41 с кассетой 42 (сменные зондовые головки условно не показаны), сопряженной с манипулятором 43. В качестве манипулятора 43 в зависимости от типа кассеты 42 может использоваться третий линейный манипулятор или манипулятор вращения. Подробно камеру сменных головок см. в [10]. Камера 41 сопряжена с пятыми средствами откачки 44, состоящими из комбинации безмасляного и ионного насосов. На камере 41 установлен четвертый линейный манипулятор 45. Между камерами 38 и 41 может быть установлен четвертый вакуумный затвор 46 и пятый сильфон 47, а между камерой 38, роботом-раздатчиком 1 - пятый вакуумный затвор 48 и шестой сильфон 49. На камере 38, содержащей СЗМ 5, может быть установлен второй растровый электронный микроскоп 50, детектор вторичных электронов 51 и оптический микроскоп 52. СЗМ 5 показан условно, он может содержать держатель образца (не показан), координатный стол 53 с держателем образца 54, держатель образца может быть закреплен на камере 38 и т.п. Подробно камеру сменных головок 41, а также возможные варианты высоковакуумных СЗМ, включающие захваты держателей образцов, описаны в [10, 11, 12, 13, 14].

Блок сопряжения 6 содержит третью вакуумную камеру 55 (Фиг.5) с шестыми средствами откачки 56, состоящими из комбинации безмасляного, турбомолекулярного и магниторазрядного насосов. Между камерой 55 и роботом-раздатчиком 1 может быть установлен шестой вакуумный затвор 57 и седьмой сильфон 58, а между камерой 55 и аналитической камерой 7 седьмой вакуумный затвор 59 и восьмой сильфон 60. На камере 55 может быть установлен пятый линейный манипулятор 61, сопряженный с модулем переворота 62. Это может быть необходимо в том случае, если технологическое оборудование располагают с разных сторон от образца, и образец в процессе эксплуатации комплекса необходимо переворачивать. Модуль переворота может содержать, например, линейный манипулятор, имеющий возможность захвата образца и его вращения (не показан).

Кроме этого, манипулятор 61 обеспечивает согласование по высоте робота раздатчика 1 и аналитической камеры 7.

Аналитическая камера 7 включает четвертую вакуумную камеру 64 (Фиг.6), в которой расположен рентгеновский гониометр 65 с держателем подложки 66, обеспечивающий его качание вокруг осей X,Y, вращение вокруг своей оси и перемещение по координате Z [15]. Камера 64 снабжена сцинциляционным рентгеновским детектором 67 [16], флуоресцентным рентгеновским детектором 68 [17] и линейным позиционно чувствительным рентгеновским детектором 69 [18]. Возможна установка детектора 69 вместо детектора 68. Камера 64 также снабжена первым 70 и вторым 71 блоками высокоточных автоматических щелей [19], монитором интенсивности первичного пучка 72 [20] и блоком сменных фильтров 73. Фланец ввода рентгеновского излучения 74 сопряжен с восьмым вакуумным затвором 75. Этот затвор содержит окно 76, прозрачное для рентгеновского излучения. На камере 64 установлено смотровое окно 77, необходимое для наблюдения за гониометром 65. Кроме этого, камера 64 может иметь дополнительные фланцы для возможной установки дополнительного оборудования (не показаны). Камера 64 сопряжена с седьмыми средствами откачки 78, состоящими из комбинации безмасляного, турбомолекулярного и магниторазрядного насосов. Через затвор 75 аналитическая камера 7 соединена с монохроматором 8, сопряженным с восьмыми средствами откачки 79, состоящими из комбинации безмасляного, турбомолекулярного и магниторазрядного насосов. На камере 64 может быть установлен шестой линейный манипулятор 80 (показан условно) для состыковки с блоком сопряжения 6. Все описанные модули могут быть установлены на каркасах, которые с целью упрощения чертежей не показаны. Через, например, девятый вакуумный затвор 81 монохроматор 8 соединен с источником рентгеновского излучения, в качестве которого может использоваться синхротрон 82 [21]. Все элементы аналитической камеры и монохроматор подробно описаны также в [22].

Нанотехнологический комплекс работает следующим образом. Посредством модуля 2 осуществляют загрузку образцов внутрь вакуумного объема. Далее вариант маршрута может быть следующим. Рабочий образец может быть перемещен в аналитическую камеру 7. На монохроматор 8 подают рентгеновское излучение от источника 9, например синхротрона. Монохроматор 8 выделяет необходимую длину волны рентгеновского излучения из спектра синхротронного излучения. В аналитической камере 7 осуществляют дифрактометрические и рефлектометрические измерения на рабочем образце, а также измерения диффузного рентгеновского рассеяния. Блок сопряжения 6 обеспечивает передачу образцов из аналитической камеры 7 в робот раздатчик 1 для последующих их измерений и обратно. Блок 6 может сопрягать по высоте аналитическую камеру 7 и робот-раздатчик 1, а также осуществлять переворот образцов. Посредством робота-раздатчика 1 в зависимости от технологического маршрута рабочий образец может быть перемещен в модуль локального воздействия 3, где посредством ионного пучка, формируемого модулем 31, может быть осуществлена модификация образца, например, методом нанолокальной ионной имплантации и методом фокусированных ионных пучков. Процесс модификации можно наблюдать, используя первый РЭМ 32. В модуле 3 может также осуществляться анализ химического состава объектов методом вторичной ионной масс-спектрометрии. Далее образец посредством робота-раздатчика 1 может быть перемещен в измерительный модуль 4, где посредством СЗМ 5 можно также модифицировать образец и проводить на нем измерения. Второй РЕМ 50 может также осуществлять измерения поверхности рабочего образца.

В аналитической камере 7 может происходить измерение состава и морфологии поверхности подложек, а также толщины сформированных слоев на подложке и степень дефектности их кристаллической структуры.

Снабжение нанотехнологического комплекса дополнительными технологическими модулями расширяет его технологические функциональные возможности.

Литература

1. Патент RU 2308782. 2007.

2. Патент RU 2390070. 2010.

3. Патент RU2115 844. 1998.

4. О.С.Моряков. «Элионная обработка». М., «Высшая школа». 125 с. 1990 г.

5. В.Д.Белов и др. Сверхвысоковакуумный эпитаксиально-литографический комплекс. Третий всесоюзный семинар «Микролитография». Черноголовка. 1990 г., с.131-132.

6. А.С.Спирин и др. Нанолитографический комплекс для исследования и модификации поверхности. Третий всесоюзный семинар «Микролитография». Черноголовка. 1990 г., с.137.

7. В.В.Ариств и др. Нанолитография в РПЭМ. Третий всесоюзный семинар «Микролитография». Черноголовка. 1990 г., с.35-36.

8. Ионизационный датчик Байярда-Альперта. www.cryosystems.com

9. Патент RU 2297072. 2007.

10. Information of Park Scientific Instr. Auto Probe UHV Scanning Probe Microscope, 1994.

11. Патент US 5157256, 1991.

12. Information of Omicron. Multi-mode UHV Scanning Probe Microscope, p.1-2.

13. Патент US 2006185424. 2006.

14. Патент RU 2161343. 2001.

15. http://www.xhuber.de/en/Products/diffractometers/xray/single_crystal/5021/5021.rsys

16. http://www.radicon.spb.ru/

17. http://www.siintusa.com/xray-detectors/vortexME4.php

18. http://www.dectris.com/sites/mythen1k.htm

19. http://www.adc9001.com/index.php?src=hp-slits&PHPSESSID=b83f6d397f16279d156fdc3e16d8c171

20. http://www.fmb-oxford.com/product.php?product=7&tab=3

21. www.kcs.kiae.ru

22. Рентгенотехника. Справочник в двух книгах. Под ред. Проф. В.В.Клюева. М., Машиностроение 1980.

1. Нанотехнологический комплекс, включающий робот-раздатчик с возможностью осевого вращения, сопряженный с камерой загрузки образцов и модулем локального воздействия, отличающийся тем, что в него введены измерительный модуль, включающий сканирующий зондовый микроскоп, аналитическую камеру, монохроматор и источник рентгена, при этом измерительный модуль и аналитическая камера сопряжены с роботом-раздатчиком, монохроматор сопряжен с аналитической камерой, а источник рентгена - с монохроматором, причем модуль локального воздействия содержит модуль фокусированных ионных пучков и первый растровый электронный микроскоп.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между роботом-раздатчиком и аналитической камерой установлен блок сопряжения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что модуль локального воздействия соединен с двумя сильфонами, симметрично расположенными относительно него и закрепленными на каркасах.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительный модуль снабжен вторым растровым электронным микроскопом.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительный модуль снабжен оптическим микроскопом.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что аналитическая камера содержит рентгеновский гониометр, снабженный сцинциляционным рентгеновским детектором, флуоресцентным рентгеновским детектором и линейным позиционно чувствительным рентгеновским детектором.