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

Рекомендуемая литература: [3], стр. 30 – 73.

Лазерная технология – это процессы обработки и сварки материалов излучением лазеров. В лазерной технологии применяют твердотельные и газовые лазеры импульсного и непрерывного действия. В большинстве процессов лазерной технологии используется термическое действие света, вызываемое его поглощением в обрабатываемом материале. Для увеличения плотности потока излучения и локализации зоны обработки применяют оптические системы. Особенности лазерных технологий: высокая плотность потока излучения в зоне обработки, дающая необходимый термический эффект за короткое время (длительность импульса 1 мсек и менее); локальность воздействия излучения, обусловленная возможностью его фокусировки в световые пучки предельно малого диаметра (порядка длины волны излучения); малая зона термического влияния, обеспечиваемая кратковременным воздействием излучения; бесконтактный ввод энергии в зону обработки и возможность ведения технологических процессов в любой прозрачной среде (вакуум, газ, жидкость, твёрдое тело), через прозрачные окна технологических камер, оболочки электровакуумных приборов и т.д. Наиболее изучены и освоены процессы сварки, сверления и резки.

Задание № 5. Физические основы электронно-лучевых технологий. Дайте развернутый ответ на вопрос своего варианта.

Таблица 5

Продолжение табл. 5

Рекомендуемая литература: [3], стр. 74 – 90.

Электронный пучок – это поток электронов, движущихся по близким траекториям в одном направлении, имеющий размеры, значительно большие в направлении движения, чем в поперечной плоскости.

Электронному пучку присущи следующие характерные особенности:

- малый диаметр. Для осуществления термических процессов изготовления ИС электронные пучки можно фокусировать от долей микрометров до десятков миллиметров, при нетермических процессах – до 0,5 нм. Теоретически электронный пучок может иметь диаметр 0,01 нм;

- высокая плотность концентрированной энергии. Высокая концентрация электронов в пучке малого диаметра даёт возможность получать удельные мощности порядка10⁸ – 10⁹ Вт/см²;

- большая скорость модуляции мощности. Подачей отрицательного напряжения на управляющий электрод можно изменять время воздействия пучка на обрабатываемое изделие в очень широком диапазоне: от долей микросекунд до непрерывного режима;

- высокая маневренность перемещения с помощью электрических и магнитных полей. Используя программное управление, пучок можно перемещать по подложке со скоростью выше 100 м/с практически по любому запрограммированному закону;

- чистота в процессе обработки благодаря использованию вакуума.

С помощью электронного пучка можно осуществлять следующие термические и нетермические процессы при изготовлении ИС:

- выращивание монокристаллов;

- электронно-лучевая полировка поверхности;

- очистка поверхности подложек;

- испарение однокомпонентных и многокомпонентных материалов;

- микрофрезерование; перекристаллизация;

- ускорение процессов диффузии;

- присоединение выводов;

- герметизация корпусов;

- бесконтактные методы контроля;

- электронно-лучевая литография.

Перечисленные процессы выполняют в специальных установках, изготовленных по сходным схемам, основным блоком которых является электронно-лучевая пушка.

Задание № 6. Электронно-лучевые технологии. Дайте краткий ответ на вопрос своего варианта.

Таблица 6

Рекомендуемая литература: [3], стр. 91 – 114

Электроннолучевая обработка осуществляется потоком электронов высоких энергий (до 100 кэВ). Таким путём можно обрабатывать все известные материалы (современная электронная оптика позволяет концентрировать электронный пучок на весьма малой площади, создавать в зоне обработки огромные плотности мощности).

Обработка материалов электронным пучком основана на использовании кинетической энергии свободных электронов, разгоняемых высоким напряжением до скоростей в десятки и сотни километров в секунду. При соударении электронов с обрабатываемой поверхностью происходит их резкое торможение, и кинетическая энергия движения преобразуется в тепловую, что вызывает интенсивный локальный нагрев поверхности. Степень нагрева определяется скоростью движения электронов, их концентрацией, временем взаимодействия электронов с обрабатываемой поверхностью и физико-химическими свойствами нагреваемых материалов.

Задание № 7. Физические основы ионно-лучевых технологий. Дайте краткий ответ на вопрос своего варианта.

Таблица 7

Продолжение табл. 7

Рекомендуемая литература: [3], стр. 121 – 139.

Взаимодействие ионов с твердыми телами приводит к возникновению взаимосвязанных процессов, основные из которых - рассеяние бомбардирующих частиц (в том числе и с изменением их зарядового состояния), эмиссия заряженных и нейтральных частиц и их комплексов (ионно-ионная эмиссия, ионно-электронная эмиссия, распыление, ионно-стимулированная десорбция с поверхности твёрдого тела), испускание электромагнитного излучения с широким спектром частот (ионно-фотонная эмиссия, ионолюминесценция, рентгеновское излучение), различные радиационные процессы, в том числе, образование дефектов как в объёме твёрдого тела, так и на его поверхности.

Первым этапом всех этих процессов является элементарный акт столкновения иона с атомом твёрдого тела, результатом которого является перераспределение энергии и импульса бомбардирующего иона между рассеянным ионом и атомом отдачи (англ. “recoil”) мишени. Акт столкновения может привести к возникновению каскада атомных столкновений, а также процессов, сопровождающих перестройку электронных оболочек партнёров столкновения, что и обусловливает всю совокупность вторичных процессов, вызванных взаимодействием ионов с твердым телом. Другими словами, результирующие неупругие процессы, вызывающие выход электронов из твердого тела, зависят как от кинетической, так и потенциальной энергии бомбардирующих частиц.

Задание № 8. Ионно-лучевые процессы и технологии. Дайте краткий ответ на вопрос своего варианта.

Таблица 8

Вариант	Вопрос
0	Ионное легирование материалов.
1	Ионно-лучевая литография.
2	Ионный синтез, ионная металлургия, ионная эпитаксия.
3	Ионное распыление материалов.
4	Ионное травление поверхности.
5	Ионно-лучевые методы осаждения покрытий.
6	Ионное распыление и получение тонких пленок.
7	Технология и оборудование магнетронного распыления.
8	Высокочастотное распыление.
9	Вакуумно-дуговое осаждение покрытий из плазмы материала электродов.

Рекомендуемая литература: [3], стр. 140 – 180.

Ионно-лучевая технология - это комплекс способов обработки материалов энергетическими потоками ионов, в результате воздействия которых изменяется форма, физико-химические, механические, электрические и магнитные свойства обрабатываемых изделий.

Несмотря на высокую стоимость технологического оборудования и относительную сложность его обслуживания, все больше новейшего оборудования ионно-лучевой технологии появляется в цехах и лабораториях современных производств.

Ионное легирование материалов, или другими словами, ионное внедрение и ионная имплантация, в настоящее время становится основным технологическим процессом из применяемых для модификации электрофизических, химических, оптических, механических и других свойств поверхностных слоев материалов. Метод ионного легирования основан на контролируемом внедрении в материал (твердое тело) ускоренных ионизированных атомов и молекул. Особенно перспективным метод ионного легирования оказался для полупроводниковой электроники. Этот метод обладает преимуществами: универсальность, т.е. возможность введения любой примеси в любой материал; локальность воздействия; отсутствие нагрева подложки; возможность строгого дозирования примесей; простота управления; высокая чистота вводимых примесей и т.д.

Тонкие и толстые пленки и покрытия с воспроизводимыми и заранее заданными свойствами можно получать в условиях высокого вакуума осаждением из сепарированных ионных пучков. Осаждение тонких пленок из сепарированных ионных пучков - самый «чистый» способ, хотя его производительность и невелика. Для микро- и оптоэлектроники, функциональной электроники возможность получения строго контролируемых по составу, практически беспримесных, однородных по структуре тонких пленок открывает новые перспективы создания устройств с уникальными эксплуатационными характеристиками. Однако этому методу присущи и недостатки. Так, продолжительность осаждения пленок заметно превышает время всех других известных процессов нанесения покрытий. Сложность и высокая стоимость оборудования, необходимость в обеспечении сверхвысокого вакуума в рабочей камере - все это ограничивает применение метода.

Развитие микроэлектроники требует разработки методов формирования элементов интегральных схем с размерами меньше одного миллиметра. Такие методы являются основой нового направления «субмикронной технологии», т. е. технологии создания устройств с высокой плотностью элементов, имеющих размеры до 0,1 мкм. Процесс формирования рисунка в слое резиста с помощью ионных пучков получил название - ионная литография.