Микро- и нанотехнологии на основе когерентных и некогерентных источников излучения

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

А. М. СВЕТЛИЧНЫЙ, И. Л. ЖИТЯЕВ

МИКРО- И НАНОТЕХНОЛОГИИ 

НА ОСНОВЕ КОГЕРЕНТНЫХ И НЕКОГЕРЕНТНЫХ 

ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2018

УДК 621.382 - 022.53(075.8) + 621.373.826(075.8)
ББК 32.852я73+32.847я73

С243

Печатается по решению кафедры нанотехнологий и микросистемной 
техники Института нанотехнологий, электроники и приборостроения

Южного федерального университета (протокол № 10 от 25 января 2018 г.)

Рецензенты:

зам. директора по инновациям и науке ООО «Саунд»,
доктор технических наук, профессор, К. В. Филатов

профессор кафедры конструирования электронных средств Института 

нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ,

доктор технических наук, С. П. Малюков

Светличный, А. М.

С243
Микро- и нанотехнологии на основе когерентных и некогерентных 

источников излучения
: учебное пособие / А. М. Светличный, 

И. Л. Житяев ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; 
Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2018. –
96 с.

ISBN 978-5-9275-3097-7
В пособии рассмотрены особенности обработки материалов и полупровод
никовых структур лазерными и некогерентными источниками излучения: используемое оборудование, виды источников излучения, их применение для контроля технологических процессов изготовления микроструктур, получения графеновых пленок, изготовления суперконденсаторов, матричных острийных 
структур, супергидрофобных и супергидрофильных поверхностей.

Учебное пособие может быть использовано при подготовке магистров по 

направлениям 28.04.01 – Нанотехнологии и микросистемная техника, 11.04.03 –
Конструирование и технология электронных средств, 11.04.04 – Электроника и 
наноэлектроника в курсе «Лучевые процессы нанотехнологии».

УДК 621.382 - 022.53(075.8) + 621.373.826(075.8)

ББК 32.852я73+32.847я73

ISBN 978-5-9275-3097-7

© Южный федеральный университет, 2018
© Светличный А. М., Житяев И. Л., 2018
© Оформление. Макет. Издательство 

Южного федерального университета, 2018

СОДЕРЖАНИЕ

1. Быстрая термическая обработка полупроводниковых структур................5

1.1. Быстрая термическая обработка полупроводниковых структур 

лазерным излучением..............................................................................5

1.2. Быстрая термическая обработка полупроводниковых структур 

некогерентными световыми потоками ...................................................8

1.3. Распределение температурных полей в полупроводниковых

пластинах и структурах при быстрой термической обработке.........23

2. Источники лазерного излучения и лазерное оборудование.....................27

2.1. Технические требования и области применения лазерных 

источников..............................................................................................27

2.2. Особенности твердотельных лазеров ..................................................31
2.3. Особенности газовых лазеров ..............................................................33

2.3.1. Лазеры на нейтральных атомах .....................................................33
2.3.2. Лазеры на ионизированных газах..................................................34
2.3.3. Молекулярные газовые лазеры......................................................36
2.3.4. Лазеры на парах металлов..............................................................36
2.3.5. Эксимерные лазеры.........................................................................37

2.4. Лазерное оборудование для сканирующего контроля 

микроструктур........................................................................................39

2.4.1. Классификация лазерных методов сканирующего контроля.....39
2.4.1. Лазерные методы контроля параметров ИС.................................41

3. Формирование субмикронных структур лазерным лучом

в форме линии................................................................................................43

4. Применение твердотельного зеленого лазера 

для рекристаллизации пленок аморфного кремния...................................48

5. Формирование графена на кремниевой подложке с использованием 

лазерного излучения......................................................................................54

6. Гибкие многослойные графеновые суперконденсаторы...........................59
7. Супергидрофильные и супергидрофобные графеновые поверхности, 

сформированные лазерным излучением.....................................................69

8. Получение графена на поверхности карбида кремния 

с использованием излучения СО2-лазера....................................................79

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................88
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................89

ВВЕДЕНИЕ

Фотонные технологии на основе лазерных и некогерентных источни
ков излучения широко используются в субмикронных технологических 
процессах. В настоящее время с их помощью реализованы практически все 
технологические операции изготовления сверхбольших интегральных схем 
(СБИС): очистка, травление поверхности материалов и полупроводниковых 
структур, низкотемпературное осаждение диэлектрических пленок Si3N4, 
SiO2, металлов Mo, Ta, W, отжиг ионно-легированных слоев, контактов, 
получение мелкозалегающих p–n-переходов и контактов к ним, высококачественных эпитаксиальных слоев, геттерирование дефектов в подложках и 
полупроводниковых структурах, герметизация и маркировка корпусов интегральных схем и многие другие. Для реализации этих процессов непрерывно совершенствуется оборудование, разрабатываются новые технологические процессы, повышаются п роизводительность, селективность воздействия излучения на полупроводниковые структуры, разрабатываются 
системы и комплексы для пооперационного контроля технологического 
процесса изготовления интегральных схем.

В учебном пособии рассмотрены источники излучения и оборудование 

для быстрой термической обработки (БТО) материалов и структур с помощью лазерного и некогерентного источников излучения, особенности оборудования для лазерного контроля микроструктур в процессе их изготовления. Показаны возможности применения лазерного излучения в виде линии. Рассмотрены новые области применения лазерного излучения для 
формирования пленок графена на кремниевой подложке, одно- и многослойных гибких графеновых суперконденсаторов, изготовления супергидрофильных и супергидрофобных поверхностей.

Учебное пособие является продолжением ранее изданного учебного 

пособия [1] для магистрантов, обучающихся по соответствующим направлениям, и расширяет знания о новых применениях фотонных потоков в 
микро- и нанотехнологии.

1. БЫСТРАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА 

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР 

1.1. Быстрая термическая обработка полупроводниковых структур 

лазерным излучением

В настоящее время интенсивно ведутся работы по созданию высоко
производительного технологического оборудования быстрой термической 
обработки полупроводниковых структур высокоинтенсивными когерентными и некогерентными потоками излучения, которое является основой 
субмикронной технологии изготовления больших интегральных схем 
(БИС) [2, 3].

Выбор оборудования в первую очередь определяется требованиями 

технологического процесса изготовления микросхем, который должен быть 
непрерывным, основываться на минимальном количестве операций, с контролируемым энергетическим воздействием на формируемые структуры, 
минимальным загрязнением и дефектообразованием. Оборудование должно обеспечивать надежную защиту обрабатываемых полупроводниковых 
структур от внешних воздействий с полной автоматизацией и пооперационным контролем технологического процесса [4–11].

Поэтому в основу базовой субмикронной технологии должны быть 

положены следующие основные принципы:

 индивидуальная последовательная обработка полупроводниковых 

пластин с полной автоматизацией и встроенным пооперационным контролем технологического процесса;

 высокая локальность и селективность обработки полупроводнико
вых структур за счет использования стимулирующих процессов с контролируемой энергией и составом технологической среды.

Высокая локальность и селективность может быть достигнута за счет 

использования электронных, ионных, лазерных и некогерентных световых 
потоков излучении, включая инфракрасный и ультрафиолетовый диапазоны.

В настоящее время опубликовано большое число исследовательских 

работ по применению лазерного излучения практически на всех стадиях 
технологического процесса изготовления полупроводниковых структур 

1. Быстрая термическая обработка полупроводниковых структур

6

БИС, включая осаждение диэлектриков и металлов, легирование, травление, отжиг, литографию [4, 6–11]. Однако, несмотря на достигнутые положительные результаты, БТО на основе лазерных систем внедряется в технологию микроэлектроники еще довольно-таки медленно. Связано это не 
только со слабой изученностью процессов лазерной обработки и отсутствием теории, удовлетворительно описывающей взаимодействие лазерного излучения с обрабатываемыми полупроводниковыми структурами с учетом их нелинейных оптических и теплофизических свойств, но и не всегда 
очевидными для разработчиков БИС преимуществами применения лазерной технологии.

Применение лазерной системы в стандартной технологии позволяет 

улучшить параметры полупроводниковых структур, увеличить производительность и процент выхода годных интегральных схем (ИС). Однако этот 
путь не использует всех возможностей, заложенных в лазерной технологий. 
Лазерные методы позволяют осуществить новые процессы, недоступные 
для стандартной технологии. В этом случае лазерные системы используются непосредственно для создания микроструктур на поверхности полупроводника. К достоинствам такого применения можно отнести возможность 
осуществления различных технологий на одном кристалле, возможность 
полной автоматизации всего процесса и реализации технологического процесса в одном вакуумном цикле, локальность и высокое пространственное 
разрешение. Однако, несмотря на снижение числа операций, последовательная обработка микроструктур при лазерографии значительно снижает 
производительность. Поэтому эту технологию целесообразно применять 
при разработке специализированных СБИС на минифабриках [4, 7]. В 
табл. 1 приведены сравнительные характеристики лазерного оборудования 
для БТО. Как видно из табл. 1, в настоящее время разработано большое количество лазеров в самом широком диапазоне длин волн, мощности излучения и длительности импульса [2, 12–15]. Практически перекрывается 
весь диапазон длин волн от 0,355 до 10,6 мкм, что позволяет на их основе 
создавать гибкие лазерные системы с широкими функциональными возможностями.

1.1. Быстрая термическая обработка полупроводниковых структур лазерным...

7

Таблица 1

Сравнительные характеристики лазерного оборудования для БТО

№ 
п/п

Тип
Страна
Длина 
волны, 

мкм

Средняя 

мощ
ность, Вт

Энергия 
импульса, Дж

Длительность импульса, нс

Частота 
импульсов, Гц

Рабочий 

газ, 
среда

1
TWO-15AC
США
0,53
0,025
–
–
–
Nd: АИГ

2
117RQ/CW
США
1,06
18
–
–
–
Nd: АИГ

3
C1a 020
Швейца
рия
1,06
–
5,0
10
–
Nd: АИГ

4
YG 482 

SHG
США
0,53
–
0,65
10
12
Nd: АИГ

5
YG 501 c
США
0,355
–
0,045
–
0,1
Nd: АИГ

6
EMG 101
Германия 0,355
6
0,2
14
40
ArF, 

эксимер

7
ЛТН-103
СССР
1,06
250
–
–
–
Nd: АИГ

8
ЛТИ-404
СССР
0,532
0,2
–
25
50
Nd: АИГ

9
ЛТИ-701
СССР
0,532
4,0
–
–
до 25 000 Nd: АИГ

10
ИЛТИ703А
СССР
0,540
16,0
–
–
до 50 000 Nd: АИГ

11
ЛТИ-205
СССР
1,06
–
0,4
15
50
Nd: АИГ

12
ЛТИ-207
СССР
1,079
–
1,0
15
30
Nd: АИГ

13 ИЛТИ-207
СССР
1,079
–
1,0
8
30
Nd: АИГ

14 ИЛТИ-410
СССР
0,266
–
0,005
15
25
Nd: АИГ

15
ЛГИ-101
СССР
0,51–
0,57
3,0
–
15
10 000
на парах 

меди

16
ГЛ-201
СССР
0,51–
0,57
10,0
–
15
8000
на парах 

меди

17
ЛГН-215
СССР
0,630
0,055
–
–
–
He-Ne

18
ЛГН-511
СССР
0,454–
0,514
10,0
–
–
–
Ar

19
ЛГИ-504
СССР
0,337
50 000
–
6-8
до 1000
N2

20
ЛГИ-505
СССР
0,337
15 000
–
6-8
до 1000
N2

21
ИЛГН-709
СССР
10,6
100
–
–
–
CO2

22
УСО
Беларусь
1,15
15 000
–
109–3 1010
–
МГЛ

23
R-10
Франция
1,15
10 000
–
109–1,5 1010
–
МГЛ

24
R-8000
США
1,15
15 000
–
109–2 1010
–
МГЛ

1. Быстрая термическая обработка полупроводниковых структур

8

Установка БТО на основе лазерных источников излучения с длиной 

волны 0,34, 0,53, 1,06 и 10,6 мкм позволяла обрабатывать полупроводниковые структуры К-МОП БИС в режиме сканирования как всей поверхности, 
так и производить почиповую обработку пластин. Схема установки включала в себя двухкоординатный стол с возможностью сканирования по 
y-координате и шагового перемещения по x-координате, оптическую систему для фокусировки луча, объектив для наблюдения, систему сканирования по y-координате, устройство задания и поддержания температуры 
подложки, устройство управления перемещением по x-координате, полупрозрачный отражатель, сменные лазерные источники с блоком питания; 
измерительную головку и измеритель мощности излучения лазера.

Измерение мощности излучения лазера осуществлялось приборами 

ИМО-2Н и ИКТ-1М. Оптимальное перекрытие при сканировании лазерным 
лучом с гауссовым распределением энергии по диаметру составило 0,6, что 
обеспечило достаточно равномерную обработку полупроводниковых пластин. Технические 
характеристики 
установки: 
диапазон
скоростей 

сканирования 0,2–20 см/с; температура подогрева пластин – до 1000 К; режим работы – ручной/полуавтоматический; диаметр обрабатываемых пластин – 76/100 мм.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что лазерная 

обработка острофокусированным лучом может быть использована на различных этапах изготовления СБИС. Но особенно целесообразно их использование при производстве специализированных СБИС на операциях проплавления токопроводящих и испарения поликремниевых шин. Следует 
отметить, что такие лазерные комплексы должны иметь прецизионные сканирующие системы, мощные стабильные эксимерные лазеры с длиной волны 0,308 мкм и длительностью импульса излучения 20 нс. Управление режимами обработки лазера, системой перемещения пластин и контроля среды должно осуществляться персональным компьютером [2, 4, 5].

1.2. Быстрая термическая обработка полупроводниковых структур 

некогерентными световыми потоками

БТО на основе источников некогерентного излучения, хотя и лишены 

достоинств локальной лазерной обработки полупроводниковых структур, 
но имеют существенное преимущество, связанное с возможностью одновременной обработки всей поверхности пластины. Установки БТО с использованием в качестве источников излучения галогенных ламп имеют 

1.2.  Быстрая термическая обработка полупроводниковых структур некогерентными...

9

более высокий КПД по сравнению с лазерами и высокие экономические 
показатели при последовательной индивидуальной обработке полупроводниковых пластин. Следует отметить широкие возможности, открывающиеся при одновременном использовании ИК- и УФ-излучений. Фотостимуляция позволяет снизить дефектность структур, обеспечивает высокую селективность и технологичность проведения операции. Кроме того, значительно снижаются затраты на технологическое оборудование по сравнению с 
лазерными системами, уменьшаются энергозатраты, снижается температура обработки.

БТО на основе использования ИК- и УФ- некогерентных излучений 

позволяет проводить такие операции, как очистка поверхности пластин, 
низкотемпературное осаждение металлических и диэлектрических пленок, 
травление структур, отжиг легированных слоев, вжигание металлизации, 
формирование контактов к мелкозалегающим p–n-переходам, уплотнение 
диэлектрика, и другие операции [8–11].

Выбор источника излучения для установок БТО в первую очередь опре
деляется режимами термообработки. Для лазерных систем обычно используются режимы адиабатический и теплового потока с длительностью импульсов 10-1110-6 с и 10-610-2 с соответственно. Режим теплового баланса 
с длительностью 10-2 с реализуется с помощью ртутных ламп высокого и 
низкого давления, а также галогенных ламп. Установки БТО, работающие в 
адиабатическом режиме, имеют систему сканирования и нашли наибольшее применение в лазерографии. При многих их достоинствах они не могут 
обрабатывать сразу всю пластину и поэтому не обладают высокой производительностью. Режимы теплового потока и теплового баланса реализуются с помощью некогерентных источников излучения. В установках, работающих в режимах теплового потока, в качестве источников излучения 
на первых этапах использовали искровые разряды в газовой среде между 
графитовыми или вольфрамовыми электродами. Основной недостаток этих 
установок заключался в распылении материала электродов в окружающем 
пространстве и осаждении его на отражатель и обрабатываемый материал, 
а также возникновение значительных градиентов температуры по толщине 
и радиусу обрабатываемой пластины.

В качестве источников некогерентного излучения при реализации ре
жима теплового баланса в установках БТО используют чаще всего галогенные лампы, хотя есть примеры использования газоразрядных ламп и 
графитовых излучателей. Но графитовые излучатели, короткодуговые га

1. Быстрая термическая обработка полупроводниковых структур

10

зоразрядные лампы и галогенные лампы с короткой спиралью не позволяют сформировать равномерный световой поток на поверхности пластины 
большого диаметра. Поэтому для этих целей используют излучатели, линейный размер которых превышает размер диаметра обрабатываемых пластин. Но прежде, чем прийти к такому выводу многие фирмы, например, 
Varian (США), Sony (Япония) разработали ряд установок БТО, используя в 
качестве источников излучения газоразрядные лампы. Но прогресс микроэлектроники, сопровождающийся увеличением диаметра пластины до 
150–200 мм и более, потребовал от разработчиков решения задачи получения однородных световых потоков по всей поверхности пластины.

Эти недостатки частично были устранены в установке отжига ионно
легированных слоев фирмы Ве1 Lаbs. В качестве источника излучения была использована стандартная ксеноновая лампа. Источником питания служила батарея конденсаторов общей емкостью 100 мкФ, заряжаемая до 
3,5 кВ. Плотность падающей световой энергии в установке составляла 
8 Дж/см2 при длительности импульса 50 мкс. Для уменьшения градиента 
температуры по толщине пластины осуществлялся предварительный её 
нагрев до температуры 300–400 °С. Аналогичные установки выпускала и 
фирма Lamel-CNR (Италия). В качестве нагревателя они использовали 
спиралевидную дуговую лампу диаметром 9 мм с телом свечения 360 мм. 
Энергия светового импульса была 4 кДж, длительность импульса 0,8 мс. 
Если первые установки, работающие в режиме теплового потока, использовались в исследовательских целях, так как не могли обеспечить однородное облучение в кремниевых пластинах большого диаметра и имели большие градиенты температуры по толщине и радиусу пластины, то в дальнейшем уже были разработаны установки, конструкция которых позволяла 
обрабатывать пластины диаметром 76 мм.

Выбор установок БТО с некогерентными источниками не так широк. 

Они охватывают диапазон длительностей от 0,01 до десятков секунд в зависимости от требований технологического процесса. Наиболее приемлемыми источниками излучения, используемыми в установках БТО, работающих в режиме теплового потока, являются ксеноновые газоразрядные 
лампы. Они имеют спектр излучения, лежащий в области сильного поглощения кремния, обладают высоким коэффициентом преобразования электрической энергии в световую (60 %), имеют простую конструкцию и долговечны при длительной эксплуатации. Для получения более однородного 
температурного поля в конструкциях установок используют несколько