Фотонно-стимулированные технологические процессы микро- и нанотехнологии

Полученные результаты позволили разработать технологические процессы лазерографии: локальное травление и осаждение микроструктур, легирование, создание контактно-металлизационной системы, программирование СБИС. Монохроматичность излучения позволила осуществить инициализацию химических реакций очистки, травления, осаждения материалов на поверхности полупроводниковой структуры. В основе этих реакций лежат не термические, а фотонно-стимулированные низкотемпературные процессы, связанные с резонансным воздействием на рабочую среду энергии излучения, достаточной для разрыва связей химических соединений. Это позволило воздействовать только на определенные типы молекул рабочей среды. Селективность воздействия лазерного излучения снизила на несколько сот градусов температуру технологических процессов без ухудшения электрофизических характеристик структур СБИС [3, 5, 8].

При использовании коротковолнового излучения энергии фотонов становится достаточной для возбуждения фотохимических реакций в газовой среде или на поверхности обрабатываемого материала. В результате температура технологических процессов может быть снижена до 300 °С и менее. Кроме того, на этих длинах волн преобладает приповерхностное поглощение светового потока. Это позволяет при уменьшении длительности импульса светового потока значительно уменьшить перераспределение примеси и повысить быстродействие полупроводниковых приборов и интегральных схем.

В табл. 1 показаны области применения и характеристики фотонного излучения, которые необходимы для осуществления различных технологических процессов. Как видно из табл. 1, для реализации фотонных технологических процессов в микроэлектронике используется широкий диапазон частот и мощностей лазерных и некогерентных источников излучений.

Таблица 1

Области применения фотонно-стимулированных технологических процессов в микро- и нанотехнологии

На рис. 1 приведены традиционные и фотонно-стимулированные технологические процессы, реализуемые с помощью лазерных и некогерентных источников излучения в производстве СБИС. Как видно из рисунка, возможности фотонных технологий значительно превышают возможности традиционных изотермических процессов. Некоторые из представленных процессов уже широко используются в технологии изготовления ИС. Некоторые, например геттерирование полупроводниковых структур на заключительных операциях изготовления ИС, получение графеновых пленок, изготовление автоэмиссионных структур, ещё находятся на стадии апробации и лабораторных исследований.

Анализ полученных результатов в области лазерных технологий показывает, что сдерживающим фактором при внедрении в промышленное производство применительно к микроэлектронике является недостаточная изученность физических процессов взаимодействия лазерного излучения с полупроводниковыми и пленочными структурами, отличающимися по своим оптическим и теплофизическим характеристикам. Кроме того, при лазерной обработке компонентов интегральных схем не всегда учитываются нелинейные параметры теплоемкости, теплопроводности, коэффициентов поглощения и отражения обрабатываемых структур, оказывающих существенное влияние на режимы обработки и воспроизводимость параметров технологического процесса. Сдерживающим фактором, несмотря на достигнутые успехи, является также недостаточный выбор источников лазерного излучения и отсутствие лазерного промышленного оборудования.

Успехи фотонных технологий были бы невозможны без достаточно развитой техники лазерного приборостроения и оборудования быстрой термической обработки полупроводниковых структур БИС, использующих некогерентные источники излучения.

Рис. 1. Классификация традиционных и фотонно-стимулированных технологических процессов

1 . Взаимодействие фотонного излучения с полупроводниковой поверхностью

1.1. Оптические свойства полупроводниковой структуры

Как известно, излучение, падающее на поверхность пластины, частично отражается, поглощается и может также пропускаться. Поэтому справедливо выражение для плотности потока излучения

где Р_R, P_A, P_T – части плотности мощности потока облучения отраженного, поглощенного и пройденного сквозь пластину соответственно.

Первое слагаемое в правой части определяется коэффициентом отражения R_S, второе и третье – коэффициентом поглощения и толщиной пластины.

Проникновение излучения в глубину твёрдого тела описывается законом Бугера – Ламберта

где – коэффициент поглощения, x – координата по глубине. Тогда часть излучения, поглощенная пластиной толщиной d_S, без учёта внутренних отражений будет равна

а выражение для плотности потока, прошедшего сквозь пластину, имеет вид