Совершенствование и применение ионно-лучевой технологии субмикронной пассивации металлов для безрезистной литографии и защиты от коррозии

Вид материала

Автореферат

Содержание Общая характеристика работы Цель и задачи диссертационной работы. Научная новизна. Практическая значимость и реализация результатов работы. Личный вклад автора Достоверность результатов. Положения, выносимые на защиту Апробация работы. Структура и объем диссертации. Краткое содержание работы В первой главе В третьей главе В четвертой главе Основные положения диссертации опубликованы

Подобный материал:

• Vi методы защиты от коррозии металлов и сплавов, 783.92kb.
• Методическая разработка урока химии по теме: «понятие о коррозии металлов, способы, 159.91kb.
• «Вызов», 86.73kb.
• Урок в 9-м классе по теме "Коррозия", 149.58kb.
• План-конспект открытого урока по химии в 10 классе. Учитель химии: Берцева, 103.65kb.
• «Электрохимические методы защиты металлов от коррозии», 282.48kb.
• Тема урока исследования, 175.86kb.
• Защиты от коррозии и старения, 1104.68kb.
• Защиты от коррозии и старения, 844.02kb.
• Темы: Коррозия металлов. Современные методы защиты металлов от коррозии. Основные виды, 135.67kb.

На правах рукописи


ПЕРИНСКАЯ Ирина Владимировна


СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ИОННО-ЛУЧЕВОЙ ТЕХНОЛОГИИ СУБМИКРОННОЙ ПАССИВАЦИИ МЕТАЛЛОВ

ДЛЯ БЕЗРЕЗИСТНОЙ ЛИТОГРАФИИ И ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ


Специальность 05.09.10 - Электротехнология


А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Саратов 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении

высшего профессионального образования

«Саратовский государственный технический университет»


Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Лясников Владимир Николаевич


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Лауреат государственной премии СССР

Мещанов Валерий Петрович


кандидат технических наук, доцент,

Лауреат государственной премии СССР

Семенов Владимир Константинович


Ведущая организация: ФГУП НИИ «Волга», г. Саратов


Защита состоится « 30 » сентября 2010 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп.1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета.


Автореферат разослан « 25 » августа 2010 г.

Размещен на сайте www.sstu.ru « 25 » августа 2010г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Томашевский Ю.Б.


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность работы. Ионно-лучевая обработка является одним из быстроразвивающихся технологических методов электротехнологии в полупроводниковой микроэлектронике. Широкие возможности применения ионно-лучевой технологии при изготовлении и обработке спецматериалов микроэлектроники обусловлены вакуумной чистотой этого метода, точностью, универсальностью воздействия на вещества, высокими локальностью и производительностью.

В традиционной области своего применения – изготовление полупроводниковых структур – ионное легирование достигло совершенства эпитаксиальных методов.

Разработки последних лет обеспечили ионно-лучевую реализацию таких нетрадиционных для имплантации операций, как распыление материалов, их ионное перемешивание, осаждение и ионно-лучевое травление, а также перспективного метода формирования топологии интегральных схем – ионную литографию.

Наиболее характерной особенностью в развитии технологии ионно-лучевой обработки материалов является повышение роли имплантации ионов инертных примесей, что связано с освоением таких перспективных направлений технологии как имплантационная металлургия, радиационная обработка материалов, синтез новых химических соединений, ионное перемешивание. Для ряда технологических применений нежелательны электрические и химические последствия ионного легирования, в других случаях достаточным для достижения положительного эффекта является введение радиационных дефектов или энергетическое воздействие ионов.

Практическая реализация возможностей имплантации ионов инертных примесей связана со многими физико-технологическими проблемами, например, контролируемое нанесение слоев различных материалов ионным распылением, тонкая доводка электрофизических параметров полупроводниковых слоев и требует совершенствования ионно-лучевого оборудования.

По объему возможных применений, технико-экономическому эффекту и значимости для современной электротехнологии дискретных приборов и интегральных схем СВЧ наиболее актуальна разработка метода ионно-лучевого управления химической активностью металлических слоев, применяемых для формирования топологии микроэлектронных устройств, и защиты их от коррозии.

К моменту начала диссертационной работы исследованиями Б.В. Козейкина, Е.Б. Соколова, М.И. Гусевой, В.Ф. Дорфмана, А.И. Фролова, П.В. Павлова, Е.И. Зорина были установлены некоторые особенности эффектов, лежащих в основе ионно-лучевой пассивации металлов. Практическое освоение этого метода требует решения многих вопросов – уточнения физико-химических моделей пассивации металлов, определения корреляции между режимами обработки и свойствами имплантированных слоев, создания технологических схем изученных эффектов с учетом ограничений, вытекающих из требований локальности процессов.

Цель и задачи диссертационной работы.

Цель настоящей работы заключается в разработке базовой технологии ионно-лучевой пассивации металлических слоев в электротехнологии изготовления сверхвысокочастотных интегральных схем (СВЧ ИС), создания и внедрения новых процессов имплантации ионов инертных газов для антикоррозионной защиты покрытий изделий микроэлектроники.

Для достижения поставленной цели сформулирована следующая совокупность экспериментальных и теоретических задач:

- определить экспериментальные зависимости химической активности ионно-обработанных металлических слоев: от энергии и дозы ионов аргона; вида металла (медь, хром, алюминий, титан – металлов, применяемых в микроэлектронике) и их толщины; изучить влияние ионно-лучевой обработки аргоном на электрические, механические характеристики металлических покрытий;

- оценить вклад поверхностного и объемного механизмов ионно-лучевого подавления химической активности в повышение коррозионной стойкости меди, хрома, алюминия, титана;

- основываясь на выводах анализа механизмов лучевой пассивации ионами инертного газа-аргона, представить модель получаемой в результате аргонно-лучевой обработки наноразмерной структуры с развитыми наноструктурными составляющими, обеспечивающими пассивацию;

- разработать аргонно-лучевую технологию защиты металлических слоев от внешних химических воздействий и коррозии, селективного травления, в том числе полупроводников, методы депассивации пассивированных слоев, возможности повышения производительности процесса ионно-лучевой пассивации электрополевым и электронно-лучевым воздействием.

Научная новизна.

1. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований установлено понижение химической активности (пассивация) в обработанных ускоренными ионами инертного газа металлах наноструктурированием их поверхности и ионно-лучевым синтезом углеродного покрытия.

2. Показано, что первичной причиной пассивации является формирование на поверхности металлов углеродных наноразмерных покрытий. Вторичный механизм связан с формированием приповерхностных пассивированных субмикронных слоев в области максимума энергетических потерь бомбардирующих ионов.

3. Получены зависимости воспроизводимого эффекта пассивации тонких металлических слоев ионами инертных газов (аргона), качественно одинаковые для меди, хрома, алюминия, титана; установлено увеличение степени пассивации при электрополевом и электронно-лучевом воздействии.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

1. Практическая значимость работы заключается в разработке новой технологии наноразмерной ионно-лучевой пассивации металлов (Cu, Cr, Al, Ti), используемых в электротехнологии изготовления СВЧ ИС, позволяющей формировать рациональную структуру с наноразмерными поверхностными составляющими, обеспечивающую коррозионную защиту в сочетании с неухудшением прочности, износостойкости, СВЧ и технологических свойств металлов.

2. Выявленные в работе механизмы ионно-лучевой пассивации позволили обосновать наиболее эффективные режимы коррозионной защиты металлических элементов микросхем; применительно к массивным деталям из меди разработан метод локализации гальванического осадка при формировании топологии контактов; обоснован технологический процесс формирования металлических резисторов и микроконденсаторов СВЧ ИС имплантацией их металлических элементов ионами инертного газа.

3. Способ ионно-стимулированного селективного химического травления антимонида индия с целью формирования объемной топологии датчиков Холла и сами датчики для измерительной техники и систем диагностики с необходимой величиной остаточного напряжения внедрены на научно-производственном предприятии «Техносфера–МЛ» (г. Зеленоград) и научно-производственной фирме «НПФ «Диатех»

(г. Москва).

4. Результаты выполненной работы используются в учебном процессе в Саратовском государственном техническом университете при подготовке специалистов по направлениям «Машины и технологии высокоэффективных процессов обработки» и «Биомедицинские аппараты и системы».

Личный вклад автора в работу состоит в формулировании задач, проведении теоретических и экспериментальных исследований, обобщении полученных результатов, сопоставлении результатов с литературными данными и формулировании выводов.

Достоверность результатов. Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается применением современного оборудования, использованием традиционных методов испытаний, сопоставлением полученных результатов исследований с данными других авторов.


Положения, выносимые на защиту:

1. Причинами сильного изменения химической активности металлов при имплантации ионов аргона являются: образование на поверхности углеродного наноразмерного беспористого покрытия; активация поверхностных слоев при внедрении радиационных дефектов; формирование в области максимума энергетических потерь ионов химически пассивной кластерной структуры металла.

2. Установлен оптимальный режим ионно-лучевой обработки: Е=40_135 кэВ, Ф=3000_7000 мкКл/см², при котором химическая активность металлических слоев с толщиной менее удвоенного проецируемого пробега ионов (d<2R_p), подвергнутых ионно-лучевой обработке, характеризуется воспроизводимым уменьшением нормированной скорости химического травления до 10^-1_10^-3.

3. Для достижения коррозионной стойкости поверхности «толстых» (с толщиной более удвоенного проецируемого пробега ионов (d>2R_p)) слоев металлов с реализацией селективного осаждения гальванического покрытия при формировании топологии металлических контактов необходим режим ионно-лучевой двухстадийной обработки аргоном:

- Е₁=40_75 кэВ, Ф₁=2500_5000 мкКл/см²;

- Е₂=100_150 кэВ, Ф₂=2500_5000 мкКл/см².

4. Установленные режимы селективной активации антимонида индия (InSb) при формировании объемно-размерной топологии датчиков Холла путем ионно-лучевой обработки ионами аргона с энергией Е=75 кэВ и дозой Ф=7000 мкКл/см² обеспечивают улучшение электрических характеристик.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8-й Всероссийской конференции «Новые технологии в стоматологии и имплантологии» (Саратов, СГТУ, 2006 г.), научно-технической конференции «Электроника и вакуумная техника: приборы и устройства. Технология. Материалы» (Саратов, ФГУП «НПП «Контакт», 2007 г.), Всероссийском совещании заведующих кафедрами материаловедения и технологии конструкционных материалов вузов России (Зерноград, 2008 г.), 9-й Международной конференции «Пленки и покрытия-2009» (Санкт-Петербург, 2009 г.), 7-й Международной российско-японско-казахстанской научной конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов» (Волгоград, 2009 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Совершенствование техники, технологий и управления в машиностроении» (Саратов, 2009 г.), Всероссийском совещании заведующих кафедрами материаловедения и технологии конструкционных материалов вузов России (Краснодар, 2009 г.), Пятом Саратовском Салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2010 г.), заседаниях кафедры «Материаловедение и высокоэффективные процессы обработки» СГТУ.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 печатных научных работ, из них 6 статей в научных журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованной литературы. Диссертационная работа изложена на 133 страницах, содержит 36 рисунков, 19 таблиц, список литературы включает 98 наименований.


КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, изложены основные новые научные результаты и положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Перспективы применения ионно-лучевых методов для повышения коррозионной и химической стойкости металлов» на основе литературных данных проанализированы области применения ионной имплантации химически и электрически неактивных примесей в имплантационной металлургии, расширяющиеся в настоящее время в инновационно развитых странах.

Изучен вклад структурно-химических превращений и изменения свойств поверхности в формирование химических и коррозионных свойств материалов ионно-лучевой обработкой. Показано, что сдерживающими факторами применения ионной имплантации химически и электрически неактивных примесей являются: недостаточная изученность физико-химической природы эффектов, слабая технологическая проработка операций. По объему возможных применений с перспективой внедрения в электротехнологии создания твердотельных устройств наиболее актуальной является разработка методов ионно-лучевого управления химической активностью металлических и полупроводниковых материалов.

Результатом проведенного анализа явился выбор направления иссле-дований. Таким направлением стало комплексное изучение особенностей физических и химических свойств металлов: меди, хрома, алюминия, титана; полупроводника: антимонида индия – при имплантации ионами аргона. А целью исследований – разработка эффективной аргонно-лучевой электротехнологии химической пассивации или селективной активации материалов (Cu, Cr, Al, Ti, InSb), применяемых в производстве твердотельных компонентов СВЧ ИС, датчиков измерительной и диагностической аппаратуры.

Во второй главе «Экспериментальные исследования физико-химических характеристик ионно-имплантированных меди, хрома, алюминия, титана» проведено экспериментальное исследование их физических и химических свойств. В работе исследовались слои меди с толщиной d=0,1_0,2 мкм, 6_12 мкм, нанесенные на поликоровые подложки с подслоем хрома с толщиной 0,02_ 0,08 мкм. Одновременно изучались характеристики металлических слоев алюминия (0,03_1,0 мкм), титана (0,1 мкм) и хрома (в качестве образцов с хромовыми покрытиями (0,14±0,02 мкм) использовались заготовки металлизированных фотошаблонов).

Ионно-лучевая обработка материалов заданными дозами (Ф) ионов аргона осуществлялась в групповом и поштучном режимАХ в вакууме 10^-3-10^-4 мм рт.ст. на ионно-лучевой установке «Везувий-5» (максимальная энергия однозарядных ионов Е=150 кэВ).

Ионный пучок с плотностью тока ~10 мкА/см² сканировался по вертикали и горизонтали с частотой 427 Гц. Нагрев образцов при поштучной обработке контролировался платиново-платинородиевой термопарой и, как правило, не превышал 80⁰С, что гарантирует отсутствие неконтролируемого температурного воздействия. Специальная зондовая система позволяла подавать на образцы в процессе ионно-лучевой обработки регулируемый электрический потенциал (по отношению к корпусу установки). Углеродсодержащие фрагменты подавались в приемную камеру микронатекателем из баллона с СО-газом, их концентрация контролировалась давлением.

Однородность поверхности металлических слоев контролировалась на микроскопе «Биолам-М» и визуально при монохроматическом освещении. Толщина слоев контролировалась по высоте ступеньки травления на интерферометре МИИ-11. Эллипсометрические параметры определялись с точностью 20' на лазерном эллипсометрическом микроскопе ЛЭМ-3М при длине волны 6328 Å и угле падения луча 70⁰.

Морфологические изменения в имплантированных слоях изучались на металлографическом микроскопе ММР-4Р (_1000), растровом электронном микроскопе МРЭМ-200. Микроструктурные параметры контролировались на электронном микроскопе УЭВМ-100 АК с электронографической приставкой.

Вторично-ионная масс-спектрометрия материалов проводилась с помощью установки на базе масс-спектрометра МИ-1305. Микротвердость имплантированных слоев контролировалась по стандартной методике на приборе ПМТ-3. Износостойкость образцов размером 24x10 мм с толщиной медного покрытия 10 мкм оценивалась по времени их истирания (до появления первых участков подслоя хрома). Испытания электрических и СВЧ-характеристик слоев осуществлялись на образцах специальной формы с помощью панорамного измерителя коэффициента стоячей волны (КСВ) и затуханий Р2-61.

Исследование морфологии ионно-облученного титана и других металлов на наличие полимерного углеродного наноразмерного покрытия проводили, используя растровый электронный микроскоп с полевой эмиссией, предназначенный для исследования наноструктур - JSM-6701F.

Особое внимание было обращено на физико-химические характеристики ионно-имплантированных тонких (d<2Rр) металлических слоев меди, хрома, алюминия, титана, физико-химические особенности ионно-лучевой обработки «толстых» (d>2R_p) слоев меди, технологические характеристики обработанных ускоренными ионами металлов: микротвердость, истираемость, коэффициент трения, паяемость, электрические и СВЧ-параметры.

Изменение химической активности облученных образцов металлов описывалось нормированной скоростью травления (прием, исключающий влияние технологических флуктуаций):

V = V_n / V₀ = t₀ / t_n,

где V_n,V₀, t_n,t₀ – скорость и время травления необлученных и облученных участков соответственно.

Ионно-имплантационная обработка слоев Cu, Cr, Al, Ti различной толщины 2R_p>d>2R_p, характерных для твердотельных устройств ионами аргона, приводит к воспроизводимому (при Е = 40_135 кэВ) уменьшению нормированной скорости химического травления V в области малых доз, ее насыщению при дальнейшем увеличении дозы, повторному уменьшению до 10^-2 в области больших (~ 1∙10¹⁶ ион/см²) Ф.




а) б) в) г)

Рис. 1. Зависимость нормированной скорости травления металлов от дозы ионов аргона:

а- алюминий; б- титан; в- хром; г- медь

Эффект пассивации при ионно-лучевой обработке качественно одинаков для всех исследуемых металлов (медь, хром, алюминий, титан), сохранялся при вакуумном отжиге до 700⁰С, наблюдался при имплантации через маскирующее покрытие (SiO₂); V уменьшалась с уменьшением толщины металла за исключением сверхтонких слоев и при электронном дооблучении слоя; толщина слоя пассивации превышала средний пробег ионов. Ионно-лучевая пассивация ослаблялась при обработке имплантированных слоев в кислородной плазме и травителях, содержащих плавиковую кислоту, а также при коротковолновом УФ-облучении.

Микроскопические исследования морфологии образцов (рис.2) показали, что при допороговых дозах имплантации поверхность сохраняет вид, характерный для необлученных образцов; вблизи пороговой дозы ее морфология аналогична апельсиновой корке с многочисленными шаро- и куполообразными микроучастками. При дозах, соответствующих пассивации, на поверхности возникали вытянутые ориентированные образования, система которых аналогична дендритной структуре.



а) б) в)

Рис. 2. Электронно-микроскопические снимки поверхности пленок меди (_9500), облученных ионами аргона Е= 75 кэВ:

а- Ф=1000 мкКл/см²; б- Ф=3000 мкКл/см²; в- Ф=5000 мкКл/см²


Пассивирующая ионно-лучевая обработка сопровождалась увеличением стойкости слоев к процессам окисления, возникновением диэлектрических свойств поверхности при незначительном изменении объемного электросопротивления слоев, при одновременном повышении износостойкости образцов.

В результате имплантации ионов изменялись оптические характеристики поверхности. Структура исходных поликристаллических слоев металла в процессе увеличения дозы облучения претерпевала стадии повышения дефектности и уменьшения размера зерен вплоть до возникновения аморфной фазы, последующего зарождения монокрис-таллических включений, увеличения их концентрации. Указанные изменения структуры коррелировали с зависимостью V(Ф), которая смещалась в область меньших доз при облучении образцов с одновременным наложением на них положительного электрического потенциала (рис. 3).



а) б)

Рис. 3. Зависимость нормированной скорости травления хрома (d=0,14 мкм) от дозы ионов аргона (а) и величины положительного потенциала на образце (б):

1- U=300 В; 2- U=600 В; 3- Ф=6·10¹⁵ ион/см²


Исследования элементного состава поверхности ионно-облученных металлов методом масс-спектрометрии свидетельствуют об уменьшении в облученных металлах концентрации молекулярного кислорода, окислов и увеличении на поверхности и в приповерхностном слое концентрации аргона, окислов углерода, углерода, углеводородов.

Исследование морфологии имплантированных металлов с макросвойствами увеличения химической и коррозионной стойкости, износостойкости в диапазоне доз ионов аргона 1000_4000 мкКл/см² проводили, используя растровый электронный микроскоп с полевой эмиссией, предназначенный для исследования наноструктур – JSM-6701F (ПЭ-РЭМ).

В ПЭ-РЭМ наблюдается ионно-синтезированное углеродное покрытие с субмикронным рельефом модифицированной поверхности металла имплантацией ионов аргона с разрешением 15 нм (рис. 4).




Рис. 4. Cубмикронный рельеф ионно-пассивированной поверхности металла

(_250 000; Е = 75 кэВ; Ф = 4000 мкКл/см²)

Характер травления имплантированных эпитаксиальных слоев анти-монида индия по глубине (клин травления) изучался в различных кислотных травителях.

На рис. 5 приведена фотография клина травления ионно-импланти-рованного элемента топологии первичного преобразователя Холла. Клин травления имеет два угла наклона – в верхней части поперечного сечения до глубины 1 мкм клин травления практически равен 90^о; далее угол наклона уменьшается до величины 77^о, соответствующей клину при химическом травлении неимплантированного антимонида индия.



Рис. 5. Вид поперечного скола элемента топологии первичного преобразователя Холла:

InSb / GaAs; 700; Е_Ar⁺ = 75 кэВ; Ф = 7000 мкКл/см²;

состав травителя: HNO₃ : 40%-ная винная кислота = 1:3


В третьей главе «Механизмы влияния ионной имплантации на химическую активность металлических слоев» проведен анализ процессов поверхностной полимеризации и объемных структурно-химических превращений в имплантированных металлах. Осуществлено сопоставление моделей с экспериментальными результатами.

Данные главы позволяют считать, что основной причиной эффекта пассивации является ионно-стимулированный синтез на поверхности имплантированных металлов защитной пленки путем полимеризации углеродсодержащих фрагментов, дозированно подаваемых в вакуумную камеру в условиях энергетического воздействия ионов, при этом ионное перемешивание на границе полимер-металл обусловливает хорошую адгезию углеродной пленки к металлу. Формирование углеродных пленок заметно изменяет оптические свойства поверхности; они удаляются путем сжигания в кислородной плазме, например, при температуре 400⁰С в течение 20 минут, при обработке в химических травителях, содержащих плавиковую кислоту.

Наряду с полимеризацией в области промежуточных доз ионов аргона возможна химическая активация объёма материала, в т.ч. полупроводникового, в 2-5 раз, связанная с процессами накопления радиационных дефектов, визуализирующаяся селективным химическим травлением. Путем имплантации через специально нанесенное и затем удаляемое тонкое маскирующее покрытие доказана также возможность формирования, при исключении углеродного ионно-синтезированного покрытия, химически пассивного слоя с толщиной d_п и скоростью травления V_пV_о непосредственно в объёме имплантированного металла в области пика энергетических потерь ионов.

Полученные данные показывают, что имплантация больших доз ионов в металлические слои может приводить к формированию весьма сложной по химическим свойствам структуры, состоящей в предельном случае из химически пассивного поверхностного ионно-синтезированного покрытия, нижележащего химически активного разупорядоченного слоя металла, далее, из скрытого объемно-пассивированного слоя в области пика ядерных потерь бомбардирующих ионов.

Анализ совокупности полученных экспериментальных результатов, положенный в основу предложенной модели, свидетельствует о доминирующей роли двух механизмов, приводящих к ионно-лучевой пассивации имплантированных металлов, а модель позволяет уверенно определить V и d_п от энергии и дозы ионов Ar⁺.

В четвертой главе диссертации «Технологическая апробация про-цессов ионно-лучевой модификации материалов микроэлектроники» проанализированы возможности разработанных методик ионно-лучевой обработки Cu, Cr, Al, Ti, InSb с точки зрения практической реализации и внедрения, в т.ч. в учебный процесс подготовки инженеров, бакалавров, магистров.

Предложен технологический маршрут изготовления тонкопленочных резистивных элементов на основе обработки ускоренными ионами тонкой алюминиевой металлизации с Е= 60 кэВ и дозой в диапазоне 2000_8000 мкКл/см², причем, увеличение дозы ионов, начиная с

Ф = 2000 мкКл/см², вызывает плавное изменение поверхностного сопротивления алюминиевой пленки в сторону увеличения.

Исследована возможность использования ионно-синтезированной полимерной пленки на поверхности металла в качестве межэлектродного диэлектрика при изготовлении миниатюрных тонкопленочных конденсаторов для ИС. Путем облучения медного электрода ионами аргона дозой 7000 мкКл/см² с энергией 90 кэВ при плотности тока ионов 0,05-0,1 мкА/см² формировалась углеродная полимерная пленка, на которую вакуумным напылением наносился верхний электрод.

Использование предлагаемого маршрута имеет следующие преимущества:

- более высокие значения емкости и электрической прочности при сохранении заданных размеров тонкопленочных конденсаторов;

- повышение процента выхода годных.

Установленный режим радиационно-ускоренного травления полупроводника антимонида индия положен в основу способа уменьшения остаточного напряжения первичных преобразователей Холла, использованных в диагностической аппаратуре научно-производственной фирмы «Диагностические технологии для техносферы «НПФ «Диатех»

(г. Москва) и научно-производственного предприятия «Техносфера–МЛ» (г. Зеленоград), в качестве малоинерционных датчиков проходящей СВЧ-мощности.

Изготовленные по разработанной технологии датчики использованы в 2008 г. при диагностике трубопроводов ОАО «Газпром» в составе экспертно-диагностических систем с реальным экономическим эффектом, что отражено в актах внедрения.

Методика ионно-лучевой пассивации металлов применена для защиты от коррозии и локализации гальванического осадка при формировании металлических контактов приборов СВЧ. Использование предложенной методики формирования топологии металлических контактов обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:

- отпадает необходимость гальванического покрытия всей поверхности детали - это снижает металлоемкость, что особенно важно для покрытий из драгоценных металлов;

- улучшается качество поверхности элементов, так как исключается растрав поверхности вне области контактов;

- снижается трудоемкость технологии;

- аргонно-лучевая пассивация увеличивает коррозионную стойкость медной основы.

Заключение

1. Анализ современных научных публикаций и результаты собственных экспериментов позволили обосновать физическую модель, связывающую нормированную скорость химического травления ионно-пассивированного металла, толщину пассивированного слоя с параметрами ионно-лучевой обработки, позволяющую выполнять качественные оценки, согласующиеся с экспериментом.

2. Экспериментально определены режимы аргонно-лучевой пассивации (1-3 порядка) поверхности металлических покрытий (Cu, Cr, Al, Ti), применяемых при изготовлении СВЧ ИС:

диапазон энергий - Е = 40_135 кэВ;

диапазон доз - Ф= 3000_5000 мкКл/см².

3. Установлены физико-химические особенности и механизмы аргонно-лучевой пассивации слоев металлов:

- эффект пассивации качественно одинаков для различных металлов, характеризуется экспоненциально быстрым уменьшением нормированной скорости химического травления вблизи пороговой дозы, увеличением на поверхности и в приповерхностной области концентрации углерода, углеводородов;

- эффект пассивации усиливается при многократном облучении, электрополевом воздействии и электронном дооблучении; обнаружен при имплантации аргона через тонкое (<2Rр) маскирующее покрытие;

- величина эффекта пассивации убывает с увеличением толщины имплантируемого покрытия, понижением энергии ионов ниже 40 кэВ, после обработки в кислородной плазме, коротковолновым ультрафиолетом и химическим травителем, содержащим плавиковую кислоту;

- предложены два механизма ионно-лучевой пассивации: ионно-стимулированная полимеризация субмикронных по толщине углеродсодержащих пленок на поверхности металлов; образование химически пассивной ультрадисперсной структуры в приповерхностном слое ионно-облученных металлов в области максимума энергетических потерь внедряемых ионов.

4. Установлены признаки ионно-пассивированных металлов, сущест-венные для технологических применений:

- слабая зависимость параметров пассивации от энергии ионов при Е = 40 _ 135 кэВ;

- устойчивость к окислению и химическому травлению в стандартных для технологии СВЧ ИС химических травителях; при хранении на воздухе, в том числе для медных пленок в течение 500 суток;

- эффект пассивации облученных ионами аргона слоев металлов исчезает, либо значительно ослабляется после обработки в кислородной плазме и зависит от состава химического травителя;

- способность восприятия электрополевого и электронно-лучевого воздействия повышает производительность электротехнологии аргонно-лучевой пассивации.

5. Теоретически предсказаны и экспериментально осуществлены новые режимы имплантационной обработки металлов ионами аргона для реализации:

- технологического процесса формирования металлических резисторов и межслойных конденсаторов - компонентов СВЧ ИС;

- селективного изготовления объемной топологии в полупроводниковых кристаллах антимонида индия для миниатюрных датчиков Холла;

- защиты от коррозии и локализации гальванического осадка, в т.ч. драгметаллов при формировании контактов приборов СВЧ.

6. Электронно-микроскопические исследования структуры ионно-облученных металлов убедительно подтвердили:

- справедливость сформулированной модели формирования на поверхности имплантированных ионами инертного газа металлов углеродных наноразмерных пассивирующих покрытий, при этом в приповерхностной области металла (области максимума энергетических потерь ионов) формируется кластерная ультрадисперсная структура металла;

- факт образования на поверхности имплантированного металла наноразмерных (диапазон десятков нм) образований, визуализированных на растровом электронном микроскопе с полевой эмиссией, предназначенном для исследования наноструктур.


Основные положения диссертации опубликованы

в печатных изданиях,

входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ:

1. Перинская И.В. Электротехнологический анализ применений аргонно-лучевой пассивирующей обработки металлов / И.В.Перинская // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2010.- № 2(45). - С.98-100.

2. Перинская И.В. Аппаратурное оформление имплантации ионов аргона и протонов в технологических применениях / И.В. Перинская, В.Н. Лясников, В.В. Перинский // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2008. - № 4(36). - С. 53-56.

в печатных изданиях,

входящих в перечень изданий по смежным специальностям, рекомендованных ВАК РФ:

3. Перинская И.В. Применение ионной имплантации аргона при создании ультрадисперсной наномодифицированной поверхности титановых дентальных имплантатов / И.В. Перинская, В.Н. Лясников // Перспективные материалы. – 2009. - № 5. – С. 45-49.

4. Перинская И.В. Механизмы влияния ионной имплантации на химическую активность металлов / И.В. Перинская, В.Н. Лясников // Технология металлов. - 2009. - № 8. - С. 22-25.

5. Перинская И.В. Наноструктурные факторы химической коррозии металлов, имплантированных ионами аргона / И.В. Перинская, В.В. Перинский // Технология металлов. - 2008. - № 10. - С. 20-22.

6. Перинская И.В. Ионно-лучевая пассивация меди / В.В. Перинский, И.В. Перинская // Технология металлов. - 2008. - № 11. - С. 31-34.

в других изданиях:

7. Перинская И.В. Автоматизированное оборудование для плазменного нанесения порошковых покрытий на стоматологические имплантаты с совмещенной активацией подложки газовыми разрядами / В.М.Таран, Н.В. Протасова, И.В. Перинская // Новые технологии в стоматологии и имплантологии: сб. трудов по материалам 8-й Всерос. конф. – Саратов: СГТУ, 2006. - С. 248-253.

8. Перинская И.В. Экспериментальные исследования очистки поверхности стоматологических имплантатов при обработке импульсным тлеющим разрядом / С.М. Лисовский, И.В. Перинская, С.Н. Барабанов // Новые технологии в стоматологии и имплантологии: сб. трудов по материалам 8-й Всерос. конф. – Саратов: СГТУ, 2006. - С. 292-295.

9. Перинская И.В. Ионно-лучевые методы обработки материалов в технологии твердотельных приборов СВЧ / В.В. Перинский, А.М. Панфилов, И.В. Перинская // Электроника и вакуумная техника: приборы и устройства. Технология. Материалы: материалы науч.-техн. конф. – Саратов: СГТУ, 2007. - С. 167-169.

10. Перинская И.В. Влияние параметров наноструктурной обработки ускоренными ионами аргона на химические свойства поверхностных слоев титана, меди, алюминия / И.В.Перинская, В.Н. Лясников, В.В. Перинский // Сб. статей Всерос. совещания заведующих кафедрами материаловедения и технологии конструкционных материалов.- Зерноград: Изд-во ФГОУ ВПО АЧГАА, 2008. - С. 56-65.

11. Перинская И.В. Ультрадисперсная наноразмерная пассивирующая кластеризация поверхности металлов ионно-лучевой обработкой / И.В. Перинская, В.Н. Лясников // Пленки и покрытия-2009: сб. докладов 9-й Междунар. конф.- СПб: Изд-во техн. ун-та, 2009. - С. 122-130.

12. Перинская И.В. Наноразмерная пассивирующая кластеризация поверхности металлов ионно-лучевой обработкой / В.Н. Лясников, И.В. Перинская, В.В. Перинский //Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов: сб. докл. 7-й Междунар. российско-японско-казахстанской науч. конф. – Волгоград: ВолгГТУ , 2009. - С. 383-392.

13. Перинская И.В. Исследование физико-механических характеристик поверхности материалов приборостроения методами сканирующей зондовой микроскопии /В.Н. Лясников, В.В. Перинский, И.В. Перинская// Материалы Всерос. совещания заведующих кафедрами материаловедения и технологии конструкционных материалов вузов России.- Краснодар: Изд-во Дом-Юг, 2009. - С. 9-12.


ПЕРИНСКАЯ Ирина Владимировна


СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ИОННО-ЛУЧЕВОЙ ТЕХНОЛОГИИ СУБМИКРОННОЙ ПАССИВАЦИИ МЕТАЛЛОВ

ДЛЯ БЕЗРЕЗИСТНОЙ ЛИТОГРАФИИ И ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ


А в т о р е ф е р а т


Корректор О.А. Панина


Подписано в печать 01.07. 2010 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 244 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77

Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77