Technologiczne

zastosowania wiązek

elektronowych i

jonowych.

Łukasz Olczyk

1. Zjawiska przy bombardowaniu

powierzchni wiązką jonową

zjawiska zachodzące w warstwie przypowierzchniowej

jonoluminescencja

odbite

N

e

+

J ON

+

elektrony wtórne

atomy rozpylone

+

-

N

jony

rozpylone

1. Zjawiska przy bombardowaniu

powierzchni wiązką jonową

a) zjawiska „zewnętrzne”:
• ujemne i dodatnie jony rozpylane

(SIMS)

• jony (i atomy) odbite (ISS)
• emisja fotonów (jonoluminescencja)
• emisja elektronów wtórnych
• rozpylanie atomów (trawienie,

nanoszenie warstw)

1. Zjawiska przy bombardowaniu

powierzchni wiązką jonową

b) zjawiska zachodzące w

przypowierzchniowym obszarze próbki:

• rozpraszanie energii (rozgrzewanie)
• reakcje chemiczne (jonolitografia)
• defektowanie (ion mixing, ion

modification)

• implantacja jonów

1.1. Rozpylanie jonowe

(sputtering).

Zjawisko rozpylania atomów lub cząsteczek materiału katody
pod wpływem jonów dodatnich bombardujących ją podczas
wyładowania w gazie. (rozpylanie ciała stałego strumieniem
jonów).

Mechanizmy rozpylania:
• fizyczny – kinetyczne wybijanie atomów lub cząsteczek
• chemiczny – oddziaływanie aktywnych cząstek z atomami

targetu dające w wyniku związki lotne

• reaktywny – reakcje chemiczne gazu z materiałem tagretu

obniżające energię wiązań, ułatwiając rozpylanie fizyczne

1.1. Rozpylanie jonowe

(sputtering).

Zastosowania technologiczne:
• nanoszenie warstw:

- rozpylanie jonowe stałoprądowe (dwu- i
trzyelektrodowe), zmiennoprądowe,
magnetronowe, rozpylanie wiązką jonów
IBS
- rozpylanie jonowe należy do grupy
metod PVD (Physical Vapour Deposition).

1.1. Rozpylanie jonowe

(sputtering).

• Zalety rozpylania:
- możliwość nanoszenia warstw materiałów

trudnotopliwych

- możliwość nanoszenia warstw stopowych z zachowniem

stechiometrii

- możliwość nanoszenia związków
- możliwość precyzyjnego sterowania szybkością procesu
- lepsza przyczepność osadzanych warstw (niż w

przypadku naparowywania)

- jednorodność co do grubości warstw nanoszonych nawet

na duże podłoża

- możliwość wpływania na strukturę nanoszonych warstw

(p,T)

1.1. Rozpylanie jonowe

(sputtering).

• Wady rozpylania:
- metoda stosunkowo kosztowna (zasilanie)
- wolniejsza (za wyjątkiem metody

magnetronowej) niż metody CVD i
parowania

Rozpylanie bywa również efektem ubocznym

(np. zanieczyszczanie warstw przez
rozpylanie elementów konstrukcyjnych)

1.2. Platerowanie jonowe (ion

plating).

• Jest to metoda nanoszenia warstw w

której przed i w czasie nanoszenia
warstw podłoże podlega
bombardowaniu na tyle intensywnemu
by występowało rozpylanie jonowe
(„naparowywanie + rozpylanie” lub
„napylanie + rozpylanie” ze znaczną
przewagą napylania)

1.2. Platerowanie jonowe (ion

plating).

• Wyróżnia się dwa etapy procesu:
• 1) oczyszczenie podłoża rozpylaniem

gazu szlachetnego ( np. Ar w metodzie
BARE nanoszenia TiN, gdzie połączone
jest z nagrzewaniem jonowym)
2) bez przerywania bombardowania
jonami, odsłonięcie przysłony i
parowanie na podłoże.

1.2. Platerowanie jonowe (ion

plating).

• Zalety:

– duże szybkości nanoszenia
– najlepsza wśród CVP i PVD przyczepność

warstw

– duża gęstość i szczelność warstw, o

własnościach zbliżonych do materiału litego

– możliwość jednorodnego pokrywania obiektów

o skomplikowanym przestrzennie kształcie

– możliwość nanoszenia stosunkowo grubych

warstw (naprężenia)

1.3. Trawienie jonowe (etching).

• proces w którym występuje usuwanie materiału

z powierzchni ciała stałego i ujawniania
struktury powierzchni materiału katody

• trawienie jonowe należy do technik suchego

trawienia

• W wyniku trawienia jonowego uzyskać można:

– pocieniania podłoża
– kształtowanie powierzchni (topografii i własności)
– kształtowanie w ciele stałym wzorów o znacznie

większej rozdzielczości niż za pomocą mokrego
trawienia.

1.3. Trawienie jonowe (etching).

• podstawowe parametry procesu trawienia:

– szybkość trawienia R[μm/min]
– selektywność trawienia
– kierunkowość - współczynnik anizotropowości:

A=1-R

hor

/R

wet

– jakośc powierzchni

• przykłady udziału wiązki jonów w trawieniu:

– Ion-Assisted Free Radical Etching
– Ion-Assisted Chemically Enchanced Sputter Etching
– Reacive Ion Beam Etching
– Sputter Etching

1.4. Jonowe oczyszczanie

powierzchni (cleaning).

• usuwanie z powierzchni ciała stałego

adsorbowanych na niej gazow i
zanieczyszczeń słabo związanych z
podłożem

• rutynowy proces technologiczny

wykonywany przed osadzaniem warstw
cienkich

• wymaga znacznie mniejszych energii

niż trawienie

1.5. Implantacja jonowa -

systematyka

• bezpośrednia / pośrednia (z domieszki

osadzonej uprzednio na powierzchni) /
imersyjna

• domieszek do półprzewodnika (mała

docelowa koncentracja domieszki) /
domieszek do metalu (duża
koncentracja, do pojedynczych %)

• z zastosowaniem masek / bezmaskowa

(FIB)

1.5. Implantacja jonowa - ZALETY

• wytwarzanie nowych materiałów z

pominięciem ograniczeń wynikających z

wzajemnej rozpuszczalności (przekraczanie

stężeń równowagowych domieszek)

• precyzyjne elektryczne sterowanie

procesem

• proces kierunkowy – precyzyjne granice

strefy domieszkowanej

• modyfikacja własności metali

(mechanicznych, korozyjność itp.)

1.5. Implantacja jonowa - WADY

• bardzo kosztowny proces
• implantacji towarzyszy uszkadzanie

struktury monokryształów; nawet do
amorfizacji; eliminacja – wygrzewanie (nie
zawsze w pełni skuteczne)

• jest to proces płytkiego domieszkowania; w

przypadku półprzewodników – w przypadku
domieszkowania metali umożliwia jedynie
modyfikację własności powierzchni; może
być zaletą (wytwarzanie płytkich złącz),

1.6. Wiązki jonowe w diagnostyce -

SIMS

• Secondary Ion Mass Spectroscopy
• czuła metoda pomiaru składu

pierwiastkowego próbki

• rozpylone jony trafiają do spektrometru

masowego

• dobrze zogniskowana wiązka jonów

pierwotnych pozwala na otrzymywanie

map składu pierwiastkowego z

rozdzielczością przestrzenną około 1 μm

1.7. Wiązki jonowe w diagnostyce -

ISS

•

Ion Scattering Spectroscopy

•

bombardowanie powierzchni jonami gazów

szlachetnych o określonej energii (z

przedziału 0,5 – 50 keV)

•

widmo energetyczne jonów rozproszonych

pod określonym kątem zawiera maksima

które powiązać można z liczbą Z atomów

próbki

•

diagnostyka do głębokości 3 – 10 Å z punktu

widzenie składu, topologii, zanieczyszczeń i

defektów struktury

2. Zjawiska przy bombardowaniu

powierzchni wiązką elektronową

zjawiska zachodzące w warstwie przypowierzchniowej

elektronoluminescencja

elektrony odbite

(rozproszone)

elektrony

wybite

e

e

ELEKTRON

e

atomy parowane

N

2. Zjawiska przy bombardowaniu

powierzchni wiązką elektronową

a) zjawiska „zewnętrzne”:
• elektronoluminescencja
• atomy parowane – Electron Beam

Evaporation

• elektrony odbite – Scanning Electron

Microscopy

• elektrony wybite – Auger Electron

Spectroscopy

2. Zjawiska przy bombardowaniu

powierzchni wiązką elektronową

b) zjawiska zachodzące w przypowierzchniowym

obszarze próbki:

• rozpraszanie energii – nagrzewanie,

parowanie, hartowanie, spawanie, topienie,
annealing

• defektowanie
• reakcje chemiczne – polimery–

elektronolitografia)

• ponadto dyfrakcja elektronów, TEM, LEED itp.

2.1. Parowanie wiązką elektronową

• jako jedna z metod - Physical Vapor

Deposition

• wiązka elektronowa powoduje

nagrzewanie materiału powodując jego
odparowanie

• używana np. do nanoszenia warstw

izolacyjnych i rezystywnych w technice
cienkowarstwowej

2.2. Zastosowania diagnostyczne -

AES

• badanie składu i właściwości chemicznych

powierzchni próbki

• identyfikacja do głębokości 1 do 10 warstw

atomowych

• trudność interpretacji widm dla cięższych

pierw.

2.3. Elektronolitografia

• wiązka elektronowa ~20 keV (mała dł. fali)
• rozdzielczość sięgająca 0,1 nm
• ograniczenie – przekrój wiązki
• nie trzeba stosować maski (elektryczne i

magnetyczne sterowanie zogniskowaną wiązką)

• rozbijanie wiązań C-C, a w efekcie zwiększenie

rozpuszczalności rezystu

• produkcja masek do fotolitografii
• bezpośrednio do produkcji układów

półprzewodnikowych – tylko laboratoria