Материал: Методические указания к выполнению контрольной работы по дисциплине «Основы лучевых и плазменных технологий» для студентов направления подготовки бакалавров. Свистова Т.В

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»

Кафедра полупроводниковой электроники и наноэлектроники

Методические указания

к выполнению контрольной работы по дисциплине

«Основы лучевых и плазменных технологий»

для студентов направления подготовки бакалавров

210100 «Электроника и наноэлектроника», профиля

«Микроэлектроника и твердотельная электроника»

заочной формы обучения

Воронеж 2014

Составитель канд. Техн. Наук т.В. Свистова

УДК 621.382.2

Методические указания к выполнению контрольной работы по дисциплине «Основы лучевых и плазменных технологий» для студентов направления подготовки бакалавров 210100 «Электроника и наноэлектроника», профиля «Микроэлектроника и твердотельная электроника» заочной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Т.В. Свистова. Воронеж, 2014. 19 с.

Методические указания включают содержание контрольной работы, варианты и порядок выполнения работы, общие пояснения к тексту заданий, библиографический список рекомендуемой литературы.

Методические указания предназначены для студентов четвертого курса.

Издание подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD и содержится в файле «Му_кр_ОЛиПТ.docх».

Табл. 8. Библиогр.: 4 назв.

Рецензент канд. физ.-мат. наук, доц. Е.В. Бордаков

Ответственный за выпуск зав. кафедрой

д-р физ.-мат. наук, проф. С.И. Рембеза

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

©  ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет», 2014

Содержание контрольной работы,

выбор вариантов, порядок выполнения

контрольной работы, общие пояснения

к тексту заданий

Микроэлектроника - наиболее бурно развивающаяся область электронной техники, катализатор научно - технического прогресса всех отраслей народного хозяйства. Современная техника предъявляет очень высокие требования к интегральным микросхемам (ИС) по надежности, быстродействию, информационной емкости и другим параметрам. Поэтому основной тенденцией развития микроэлектроники является непрерывное повышение степени интеграции и инфор-мационной емкости интегральных микросхем с одновременным уменьшением стоимости бита информации. Это достигается за счет перехода от больших интегральных схем к сверхбольшим и ультрабольшим, уменьшения размеров элементов микросхем. Если характерный размер элемента больших интегральных схем (БИС) составляет несколько микрон, то в ультрабольших интегральных схемах (УБИС) размер элементов доведен до долей микрона. Уже разработаны технологии производства микросхем с размерами элементов 0,13 мкм и 0,09 мкм.

Жидкостные процессы технологической обработки материалов в процессе создания микроструктур в принципе не могут обеспечить изготовления ИС с субмикронными размерами, поэтому начиная с семидесятых годов ХХ века во всем мире ведутся поиски альтернативных технологических вариантов на базе так называемых «сухих» процессов.

Технологии с использованием низкотемпературной неравновесной газоразрядной плазмы в этом плане оказались наиболее перспективными. Первым плазменным процессом, используемым в промышленном производстве с 1968 г., было удаление фоторезиста в кислородной плазме. В этот период недостаточное понимание сущности плазмохимических процессов привело к ряду неудач и отказу от их использования вплоть до 1972 - 1973 годов. Примерно в эти же годы начал проявляться интерес к плазменным методам получения пленок, в первую очередь диоксида кремния, и травлению неорганических металлов - кремния, нитрида кремния, диоксида кремния, алюминия и других. К настоящему времени разработаны и внедрены в производство изделий электронной техники целый ряд технологических процессов с использованием низкотемпературной плазмы - это обработка и удаление ор-ганических резистов, плазменное травление, плазменное получение различных пленок и слоев. Сравнение плазменных технологических процессов с жидкостными позволяет выделить следующие их преимущества:

- увеличение разрешающей способности с уменьшением размеров элементов ИС;

- обеспечение высокой селективности и анизотропии процессов;

- более высокий уровень безопасности работы и экологической чистоты производства;

- возможность непрерывного контроля хода и окончания процесса;

- возможность создания автоматизированных технологических циклов, не требующих участия оператора.

Необходимо отметить, что в настоящее время вакуумно-плазменные технологии вышли далеко за пределы электронной техники и используются в самых различных отраслях науки и промышленности. Широко известны применения плазменных технологий в машиностроении и приборостроении, текстильной и легкой промышленности, производстве строительных материалов и даже в медицине.

Общеизвестно, что современные интенсивные технологии являются основой технического процесса. К ним относятся и лучевые технологии, основанные на использовании концентрированных потоков энергии - лазерные, электронные и электронно-лучевые, ионные и ионно-лучевые. Их применение позволяет получать совершенно новые эффекты и результаты, принципиально недостижимые при традиционных технологиях, или значительно повысить скорость и качество обработки. Принципиально важными особенностями этих технологий являются локальность и селективность вложения энергии при огромных плотностях мощности, достигающих 10⁸ - 10¹² Вт/см², отсутствие механических контактов инструмента и изделия в процессе обработки, простота и широкие возможности управления энергией и размерами энергонесущего пучка, возможность полной автоматизации технологического процесса. Применение этих технологий позволяет изменять форму и размеры обрабатываемых изделий, их механические, физические, химические, электрические, оптические, магнитные и другие свойства, как в массе материала, так и на поверхности, в нанометровых слоях. Кроме того, на основе взаимодействия излучения и потоков ионов и электронов с веществом разработаны многие методы прецизионного анализа и контроля.

Лазерные, электронные и ионные процессы и технологии, зародившись, в основном в недрах электронной промышленности, в настоящее время широко применяются в электронике, приборостроении, машиностроении, металлургии, химии, медицине, текстильной и легкой промышленности и ряде других отраслей. Сдерживающими факторами в применении этих технологий традиционно считаются высокая стоимость технологического оборудования и сложность его обслуживания. Но, несмотря на это, интенсивные технологии при правильном их использовании, дают, как правило, высокий экономический эффект.

Целями преподавания дисциплины «Основы лучевых и плазменных технологий» являются изучение студентами процессов взаимодействия потоков частиц и плазмы с конденсированными средами, используемых в лучевых и плазменных технологиях при производстве изделий электронной техники, овладение методами расчета и проектирования технологических лучевых и плазменных модулей, получение первичных навыков работы на лучевых и плазменных технологических установках.

В результате изучения дисциплины студент должен знать физико-химические процессы современных лучевых и плазменных технологий и оборудования; уметь: выбирать оптимальный технологический процесс и оборудование для его реализации по заданным требованиям; владеть: информацией о предельных возможностях лучевых и плазменных технологий, применяемых при производстве электронной компонентной базы.

Студенты направления подготовки бакалавров 210100 «Электроника и наноэлектроника», профиля «Микроэлектроника и твердотельная электроника» заочной формы обучения согласно рабочей программе дисциплины «Основы лучевых и плазменных технологий» выполняют одну контрольную работы. Контрольная работа состоит из 8 заданий. Каждое задание имеет десять вариантов. Студенты в заданиях №№ 1 – 4 выбирают номер варианта, соответствующий последней цифре номера зачетки, в заданиях №№ 5 – 8 выбирают номер варианта, соответствующий предпоследней цифре номера зачетки. Например, если номер зачетки оканчивается числом 72, то выбирается вариант 2 заданий №№ 1 – 4 и вариант 7 заданий №№ 5 – 8.

Контрольная работа выполняется в отдельной тетради. На обложке указывается название дисциплины, фамилия и инициалы студента, номер зачетки, специальность и факультет, домашний адрес и телефон, а также варианты выполняемых заданий. Выполнение каждого задания желательно начинать с новой страницы. На каждой странице следует оставлять поля для замечаний. В заданиях после изложения текста задания указаны разделы учебных пособий, которые могут оказать помощь при их выполнении.

Контрольная работа

Задание № 1. Физические основы плазменной технологии. Дайте развернутый ответ на вопрос своего варианта.

Таблица 1

Рекомендуемая литература: [1], стр. 6 – 147.

Плазма представляет собой частично или полностью ионизированный газ, состоящий из смеси стабильных и возбужденных атомов и молекул и продуктов распада молекул: радикалов, положительно и отрицательно заряженных ионов, электронов. Концентрация заряженных частиц в плазме достигает 10¹⁷ см^-3 и по своей электропроводности плазма приближается к проводникам. Плазму нельзя представлять как механическую смесь компонент - все частицы плазмы находятся в непрерывном взаимодействии друг с другом, и плазма в целом обладает рядом специфических свойств, которые вовсе не присущи отдельным её составляющим.

Плазма образуется при внешнем воздействии на вещество с помощью различного рода газовых разрядов или в сильных переменных и постоянных электрических и магнитных полях. Основными процессами, приводящими к образованию активных частиц плазмы, являются неупругие столкновения электронов с атомами и молекулами.

Задание № 2. Процессы и технологии плазменной обработки. Дайте развернутый ответ на вопрос своего варианта.

Таблица 2

Продолжение табл. 2

Рекомендуемая литература: [1], стр. 148 - 214; [2], стр. 21 – 80.

С точки зрения возможностей низкотемпературной газовой плазмы (НГП) для проведения гетерогенных физико-химических процессов обработки на границе раздела газ (газовая плазма) - твердое тело можно выделить три случая.

1. НГП является одновременно средой проведения, источником участвующих в процессе частиц и стимулятором (активатором) процесса.

2. НГП служит только источником участвующих в процессе частиц.

3. НГП используется только для активации участвующих в процессе частиц, поверхностей или для стимуляции самого процесса.

В первом случае обрабатываемая поверхность твердого тела находится в контакте с плазмой, во-втором - вне плазмы, а в третьем - возможны оба варианта. В зависимости от вида плазмообразующего газа и природы поверхности твердого тела в каждом из трех перечисленных случаев с помощью НГП могут быть реализованы различные процессы обработки. Эти процессы можно объединить в три большие группы:

1) удаление материала с поверхности твердого тела (все виды распыления, травления и очистки);

2) нанесение материала на поверхность твердого тела (химическое - из газовой фазы, физическое - из материала мишени, физико-химическое - из материала мишени, модифицируемого в газовой фазе);

3) модификация поверхностного слоя твердого тела (окисление, анодирование, нитридизация, легирование другими элементами, гетерирование, отжиг, текстурирование).

Задание № 3. Физические основы лазерных технологий. Дайте развернутый ответ на вопрос своего варианта.

Таблица 3

Продолжение табл. 3

Рекомендуемая литература: [3], стр. 5 – 29.

Лазер — источник когерентного во времени и в пространстве электромагнитного излучения оптического диапазона, основанный на использовании вынужденного излучения атомов и молекул.

По типу активного элемента существуют следующие разновидности лазеров - оптических квантовых генераторов:

- твёрдотельные с кристаллическим и стеклянным активным элементом;

- полупроводниковые(в частности на арсениде галлия, интимониде индия и т. д.);

- жидкостные на кристаллах и неорганических растворах;

- газовые лазеры, которые по типу возбуждаемой квантовой системы делятся на атомные, ионные и молекулярные. Последние из них имеют разновидности: газостатические, газодинамические и непрерывные.

В технологии, т. е. для целей обработки материалов, нашли применение импульсные твёрдотельные и непрерывные газовые лазеры, поскольку они могут создать необходимую плотность мощности на поверхности материала для реализации фазовых изменений структуры материала.

Задание № 4. Лазерные технологии. Дайте развернутый ответ на вопрос своего варианта.

Таблица 4