Разработка метода прецизионного формирования микро- и наноструктур фокусированным ионным пучком в полупроводниковых и диэлектрических материалах с предотвращением имплантации ионов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-19-00649

НазваниеРазработка метода прецизионного формирования микро- и наноструктур фокусированным ионным пучком в полупроводниковых и диэлектрических материалах с предотвращением имплантации ионов

Руководитель Боргардт Николай Иванович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" , г Москва

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-711 - Методы наноструктурирования (нанолитография и сопутствующие процессы)

Ключевые слова Наноструктуры, фокусированный ионный пучок, взаимодействие ионов с веществом, метод функций уровня, электронная микроскопия, метод Монте-Карло, метод молекулярной динамики

Код ГРНТИ47.13.07, 29.35.43

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Изготовление и изучение физических свойств наноструктур является важным направлением современных фундаментальных и прикладных исследований ввиду их важности для широкого спектра применений в различных научно-технологических сферах. Метод фокусированного ионного пучка (ФИП) благодаря возможности прямого наноструктурирования поверхности подложки путем сканирования по ней узким зондом, как правило, ионов галлия позволяет непосредственно и с высокой точностью формировать микро- и наноструктуры для использования в фотонике, плазмонике, при создании микро- и наноэлектромеханических систем, устройств для изучения механизмов квантового транспорта и др. Хотя метод ФИП обеспечивает прецизионное удаление материала на поверхности практически любой подложки, его использование связано с имплантацией ионов пучка в облучаемый образец, что приводит к модификации структуры и изменению состава его приповерхностного слоя. Такие изменения, как правило, являются нежелательными артефактами применения метода ФИП, существенно ограничивающими его использование в целом ряде случаев, прежде всего при формировании структур для оптических приложений, поскольку имплантация ионов пучка существенно ухудшает их функциональные характеристики. Для уменьшения негативного влияния внедренных атомов ионного пучка был предложен целый ряд подходов, например, использование химически активных газов в процессе распыления материала, проведение жидкостного, плазменного травления или термического отжига сформированных структур, Однако применение этих подходов приводит к появлению таких нежелательных эффектов, как загрязнение обрабатываемой поверхности, изменение ее формы и сегрегация имплантированной примеси. В проекте для предотвращения имплантации ионов в облучаемый образец предлагается использовать оптимизированный режим многократного построчного сканирования пучка вдоль одного направления и его пошагового перемещения в перпендикулярном направлении. В таком режиме сканирования происходит переход от обычного распыления (травления) материала в глубину вдоль направления распространения ионного пучка к травлению наклонной боковой поверхности формируемых углублений, при котором основное количество ранее имплантированных атомов галлия удаляется из образца. Проведенные предварительные исследования показывают, что применение данного подхода позволит до 10 раз уменьшить количество ионов, имплантированных в материал подложки, и примерно на 20% сократить толщину аморфизованного слоя. Он может быть использован для создания структур с глубиной от 100 нм до десятков микрометров и латеральными размерами в диапазоне от примерно 50 нм до десятков микрометров. Для выявления закономерностей распыления материала образца в режиме построчного сканирования ионного пучка будут проводиться комплексные исследования, которые включают создание тестовых микро- и наноструктур с помощью фокусированного пучка ионов галлия при различных параметрах процесса их формирования и с использованием подложек из полупроводниковых и диэлектрических материалов, развитие теоретического подхода для описания формы поверхности травления, дальнейшую разработку оригинального комплекса компьютерных программ для моделирования эволюции поверхности травления методом функций уровня для количественного предсказания как формы структур, так и количества имплантированных ионов. Результаты аналитических и численных вычислений будут сопоставлены с экспериментальными данными, полученными на основе исследований поперечных сечений приготовленных структур методами растровой и просвечивающей электронной микроскопии, энергодисперсионного рентгеновского микроанализа. Развитый метод формирования структур будет использован для создания фазовых пластинок Френеля для фокусировки оптического излучения на подложке из кварцевого стекла с улучшенными оптическими характеристиками.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Румянцев А.В., Боргардт Н.И. Распыление кремния и диоксида кремния фокусированным пучком ионов галлия Объединенная конференция «Электронно-лучевые технологии и рентгеновская оптика в микроэлектронике» КЭЛТ - 2023. Тезисы докладов. Черноголовка., Объединенная конференция «Электронно-лучевые технологии и рентгеновская оптика в микроэлектронике» КЭЛТ - 2023. Тезисы докладов. с. 168 (год публикации - 2023)

2. Румянцев А.В., Боргардт Н.И. Cравнение процессов распыления кремния и диоксида кремния фокусированным ионным пучком Известия высших учебных заведений. Электроника (год публикации - 2024)

3. Подорожний О.В., Румянцев А.В., Боргардт Н.И. Моделирование распыления диоксида кремния фокусированным пучком ионов галлия методом Монте-Карло Объединенная конференция «Электронно-лучевые технологии и рентгеновская оптика в микроэлектронике» КЭЛТ - 2023. Тезисы докладов. Черноголовка., Объединенная конференция «Электронно-лучевые технологии и рентгеновская оптика в микроэлектронике» КЭЛТ - 2023. Тезисы докладов. с. 169-170. (год публикации - 2023)

4. Боргардт Н.И., Подорожний О.В., Румянцев А.В., Киреев Г.С., Иешкин А.Е. Исследование аморфизации кремния ионами ксенона методами электронной микроскопии и молекулярно-динамического моделирования Курчатовский форум «Исследования с применением синхротронного излучения, нейтронов и электронов». Тезисы докладов. (год публикации - 2024)

5. Подорожний О.В., Румянцев А.В., Боргардт Н.И., Миннебаев Д.К., Иешкин А.Е. Исследование аморфизации кремния ионами ксенона методами просвечивающей электронной микроскопии Тезисы докладов 53-й международной Тулиновской конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (год публикации - 2024)

6. Подорожний О.В., Румянцев А.В., Боргардт Н.И., Миннебаев Д.К., Иешкин А.Е. Исследование аморфизации кремния ионами ксенона с использованием просвечивающей электронной микроскопии и моделирования методом Монте-Карло Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования (год публикации - 2024)

7. Румянцев А.В., Боргардт Н.И., Волков Р.Л., Чаплыгин Ю.А. Level set simulation of focused ion beam sputtering of a multilayer substrate Beilstein Journal of Nanotechnology, – Vol. 15. – №. 1. – P. 733-742. (год публикации - 2024)
10.3762/bjnano.15.61

8. Румянцев А.В., Волков Р.Л., Боргардт Н.И. Формирование структур в многослойных подложках методом фокусированного ионного пучка Курчатовский форум «Исследования с применением синхротронного излучения, нейтронов и электронов». Тезисы докладов. (год публикации - 2024)

9. Подорожний О.В., Румянцев А.В., Волков Р.Л., Боргардт Н.И. Исследование распыления диоксида кремния фокусированным пучком ионов галлия ПОВЕРХНОСТЬ. Рентгеновские синхротронные и нейтронные исследования, № 10, c. 66–73 (год публикации - 2024)

10. Подорожний О.В., Румянцев А.В., Иешкин А.Е., Миннебаев Д.К., Боргардт Н.И. Исследование имплантации низкоэнергетических ионов ксенона в кремний методами просвечивающей электронной микроскопии Курчатовский форум «Исследования с применением синхротронного излучения, нейтронов и электронов». Тезисы докладов. (год публикации - 2024)

11. Румянцев А.В., Боргардт Н.И., Волков Р.Л. Влияние стратегии сканирования фокусированного ионного пучка на процесс распыления кремния при формировании микро- и наноструктур Известия высших учебных заведений. Электроника (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Сформированы тестовые структуры прямоугольных углублений в многослойных подложках алюминий-кремний (Al-Si), диоксид кремния – кремний (SiO2-Si), а также в монокристаллическом кремнии с использованием стратегии многократного построчного сканирования. Экспериментально установлены закономерности формирования прямоугольных структур в наклоненных и покрытых тонкими слоями металла кремниевых подложках. Прямоугольные углубления размером 6×2 мкм2 изготавливались на подложке Si со слоем Al (Al-Si) толщиной 200 нм при энергии ионов галлия 30 кэВ, токе ионного пучка 900 пА, числе проходов вдоль каждого из отрезков сканирования 22, времени остановки пучка 24 мкс и шаге равном 38.5 нм. Исследования полученных структур методами просвечивающей растровой электронной микроскопии (ПРЭМ) и энергодисперсионного рентгеновского микроанализа (РМА) показали, что их глубина составляла около 550 нм, а в приповерхностной области дна находился слой Al толщиной 6 нм. Концентрация имплантированного Ga при этом составляет менее 10 ат. %. Распыление многослойной подложки позволило установить, что на поверхности углублений, созданных в условиях построчного сканирования, выявляется переосажденный слой, который не может быть однозначно идентифицирован при распылении подложки, состоящей из атомов одного сорта. С использованием построчной и многопроходной стратегий сканирования в Si были изготовлены прямоугольные углубления двух размеров: нанометровые (мелкие) и микронные (крупные), которые затем исследовались методами ПРЭМ и РМА. Мелкие углубления имели протяженность 6 мкм, ширину 170 нм и глубину 30 нм. Ввиду их малой глубины выраженный фронт травления не формировался, распыление проходило в плавном режиме, и поэтому смена стратегии сканирования незначительно уменьшала концентрацию имплантированного Ga от 25 до 20 ат. %. Рассматриваемые стратегии сканирования также применялись для изготовления прямоугольных структур больших размеров 8×8 мкм2 и 20×20 мкм2 с глубиной около 700 нм за примерно одинаковое время около 200 с. При выбранной глубине структур использование построчного сканирования ведет к образованию почти вертикального фронта травления, реализации условий краевого распыления и увеличению эффективного коэффициента распыления примерно в 6 раз. Одновременно пиковая концентрация имплантированного галлия падала до примерно 6 ат. % по сравнению с 45 ат. % в случае многопроходного сканирования, а толщина аморфизованного кремния уменьшалась почти на 25%. Прямоугольные углубления формировались на подложке Si, покрытой слоем SiO2 толщиной 600 нм, на начальном этапе распыления при построчном сканировании. Наблюдаемое при этом интенсивное переосаждение материала позволило выявить закономерности этого процесса. Шаблон распыления углублений имел размер 1×1 мкм2, время остановки пучка составляло 4.9 мс, число проходов по шаблону менялось от 1 до 3, шаг пучка равнялся 60 нм. Поперечные сечения структур исследовались методом ПРЭМ. Методом РМА получены карты распределения атомов кислорода в переосажденном материале. Шаблон распыления, использованный для обработки подложек Al-Si применен для формирования структур в режиме построчного сканирования при падении ионного пучка на кремниевую подложку, отклоненную от нормальной ориентации на 10°. В первой из изготовленных структур угол между фронтом травления и ионным пучком увеличивался, а второй из них – наоборот уменьшался. Глубины структур составили 600 и 460 нм, а концентрации имплантированного Ga – менее 4 и 17 ат. %. 2. Проведено сравнение формы слоя и распределения атомов в переосажденном материале, определенных по результатам моделирования методом функций уровня и в результате обработки экспериментальных карт распределений атомов. Разработан оптимизированный комплекс программ для моделирования процесса формирования структур в многослойных подложках в режиме построчного сканирования. Моделирование формирования структур в подложках SiO2-Si, описанных в пункте 1, проводилось с использованием оптимизированного комплекса программ для моделирования методом функций уровня. Для повышения реалистичности расчетов при углах падения ионного пучка более 70° использовались полученные методом Монте-Карло таблицы, описывающие направления вылета распыленных атомов. Наложение расчетных профилей изготовленных структур на соответствующие ПРЭМ-изображения выявило их адекватное соответствие. Сравнением экспериментальных и вычисленных карт распределения кислорода в переосажденном материале показано, что расчетные распределения с хорошей точностью воспроизводят количество переосажденного материала и профиль концентрации кислорода вдоль направления распространения ионного пучка. 3. Результаты моделирования имплантации и отражения ионов, а также переосаждения распыленных атомов методом Монте-Карло. Метод учета выявленных эффектов при аналитической оценке глубины структур. Методом Монте-Карло программном пакете RustBCA выполнено моделирование потоков частиц, возникающих при изготовлении в кремнии мелких и глубоких структур глубиной 81 и 500 нм в условиях плавного и краевого распыления подложки ионным пучком. Установлено, что при распылении мелкого углубления распределение позиций вылета распыленных атомов было приблизительно пропорционально плотности потока ионного пучка. В случае глубокой структуры значительное количество распыленных с фронта травления частиц создавало каскады столкновений и вызывало вторичное распыление материала вдали от положения ионного пучка. Данный процесс позволяет удалить как переосажденный материал, так и приповерхностный слой подложки с высокой концентрацией атомов Ga. Он может учитываться при аналитических оценках глубины структур путем введения дополнительного потока ионов, распыляющего поверхность, но не вносящего вклад в имплантацию галлия. Проведено облучение подложки SiO2 ионами Ga с энергией 30 кэВ, дозой около 5∙10^17 см–2 при нормальном падении пучка, а также при углах падения 15°, 30° и 80°. Экспериментально установлено распределение имплантированного Ga по глубине образцов. Найдены оптимальные значения параметров поверхностной энергии связи атомов при моделировании методом Монте-Карло. Выполнены бомбардировка монокристаллического Si ионами ксенона с энергиями 5 и 8 кэВ и дозой около 10^16 см-2 при их нормальном падении на поверхность образца и исследование облученных областей методом светлопольной просвечивающей электронной микроскопии. Установлено, что толщины аморфизованных слоев составляют 15.8±1.2 и 21.2±1.4 нм для энергий 5 и 8 кэВ и попадают в диапазон значений, полученных моделированием облучения методом Монте-Карло.

Публикации