Элионные процессы и нанотехнологии. Книга 10

 
 
 
 
 
 
 
 
КОМПЛЕКТ 

учебно-методических комплексов дисциплин 
по тематическому направлению деятельности 
национальной нанотехнологической сети 

«НАНОИНЖЕНЕРИЯ» 

Элионные процессы и нанотехнологии 

БИБЛИОТЕКА «НАНОИНЖЕНЕРИЯ» 

 
В семнадцати книгах 
 
 
 1. МЕТОДЫ МИКРОСКОПИИ 

 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 
В НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 3. ВЫСОКОВАКУУМНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 
В НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 4. МНОГОКОМПОНЕНТНОЕ 3D-ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
НАНОСИСТЕМ 

 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 
НАНОСИСТЕМ 

 6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАНОСЕНСОРОВ 

 7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 
НАНОСИСТЕМ 

 8. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ НАНОСИСТЕМ 

 9. МЕТОДЫ ЛИТОГРАФИИ В НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 10. ЭЛИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ 

 11. ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ 

 12. ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ 

 13. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
НАНОСИСТЕМ 

 14. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МИКРО- 
И НАНОСИСТЕМ 

 15. БИОНАНОИНЖЕНЕРИЯ 

 16. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 17. САПР НАНОСИСТЕМ 

 
 
 
 
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана 
Москва 2011 

Предисловие 
3 

Ю. В. Панфилов 
 
 
 
 
 
 
ЭЛИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ 
И НАНОТЕХНОЛОГИИ 
 
 
 
Учебно-методический комплекс 
по тематическому направлению деятельности 
ННС «Наноинженерия» 
 
 
 
Под редакцией заслуженного деятеля науки РФ, 
члена-корреспондента РАН, профессора 
В. А. Шахнова 
 
 
Допущено учебно-методическим объединением вузов 
по университетскому политехническому образованию 
в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению 152200 «Наноинженерия» 
 
 
 

 

Элионные процессы и нанотехнологии 

УДК 621.01.03 
ББК 34.44 
 
П16 
 
УМК подготовлен в соответствии с заданием государственного контракта 
№ 16.647.12.2008 на выполнение работ в рамках направления 2-й федеральной 
целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии 
в Российской Федерации на 2008–2011 годы» 
 
Рецензенты: 

кафедра «Вакуумная электроника» Московского физико-технического 
института (зав. кафедрой, академик РАН  А. С. Бугаев); 
кафедра «Электроника и информатика» Российского государственного 
технологического университета им. К. Э. Циолковского 
(зав. кафедрой, профессор  С. Б. Беневоленский) 
 
 

П16 

Панфилов Ю. В.

Элионные процессы и нанотехнологии : учеб. пособие / Ю. В. Пан
филов. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. – 128 с. : ил. 
(Библиотека «Наноинженерия» : в 17 кн. Кн. 10).

 
ISBN 978-5-7038-3501-2 (кн. 10) 
 
ISBN 978-5-7038-3509-8 
Методические материалы содержат нормативную базу дисциплины, 
рекомендации по организации и проведению лекций, практических занятий, семинаров, лабораторных работ, указания по выполнению домашнего 
задания, перечень учебных видео- и аудиоматериалов, слайдов, типовых 
плакатов и другие дидактические материалы для работы профессорскопреподавательского состава по данной дисциплине. 
Для студентов, аспирантов и преподавателей высших технических 
учебных заведений по направлению подготовки «Наноинженерия», а также 
всех, занимающихся вопросами нанотехнологий, наноинженерии, проектированием МЭМС и НЭМС, созданием электронных систем различного 
назначения. 
 
УДК 621.01.03 
ББК 34.44 
 
 
 
 
 Панфилов Ю. В., 2011 
 
 Министерство образования 
 
 
и науки РФ, 2011 
ISBN 978-5-7038-3501-2 (кн. 10) 
 Оформление. Издательство МГТУ 
ISBN 978-5-7038-3509-8 
 
им. Н. Э. Баумана, 2011 

Предисловие 
5 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Успех в продвижении России по нанотехнологическому пути 
развития во многом будет зависеть от эффективности системы 
подготовки кадров, для создания и развития которой необходимо 
современное и качественное учебно-методическое обеспечение. 
Основная особенность нанотехнологии – ее междисциплинарный характер, который требует особых методических приемов 
и подбора соответствующего научного и учебного материала. 
В настоящее время имеется существенная нехватка учебнометодического обеспечения такого характера. Поэтому адаптация 
учебно-методического обеспечения для подготовки кадров по программам высшего профессионального образования для тематических направлений ННС и его апробация на базе ведущих университетов Российской Федерации направлены на реализацию инновационной модели образования, подразумевающую тесную связь 
учебного и научно-исследовательского процесса на базе проектных методов обучения, современных экспериментальных методик 
и перспективных технологических процессов создания наноматериалов, наноструктур, приборов, устройств и систем на их основе. 
Современные образовательные программы должны обеспечивать 
приобретение студентами профессиональных навыков и компетенций, необходимых для эффективной и самостоятельной работы 
в наноиндустрии. 
В связи с этим актуальной задачей является разработка и издание УМК, которые обеспечат учебно-методическую поддержку 
подготовки бакалавров и магистров по основным образовательным 
программам высшего профессионального образования по тематическому направлению деятельности ННС «Наноинженерия» образовательными учреждениями высшего профессионального образования на территории Российской Федерации. 
Целью создания данного комплекта УМК является повышение 
эффективности междисциплинарной подготовки бакалавров и магистров путем распространения передового опыта в разработке 

Элионные процессы и нанотехнологии 

УМО среди вузов, осуществляющих подготовку по тематическим 
направлениям ННС, и внедрения компонентов вариативного 
маршрутного 
обучения 
на 
базе 
адаптированного 
учебнометодического комплекса дисциплин по тематическому направлению деятельности ННС «Наноинженерия». 
УМК разработаны коллективом авторов в рамках реализации 
федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры 
наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2011 годы». 
На базе представленных УМК создана вариативная система 
маршрутного междисциплинарного обучения студентов по тематическому направлению деятельности ННС «Наноинженерия», 
обеспечивающая подготовку квалифицированных специалистов 
с соответствующими профилями. Разработаны электронные версии учебно-методических комплексов дисциплин на основе Webверсии, соответствующей стандарту SCORM 2004, 3rd edition 
(http://nanolab.iu4.bmstu.ru). 
Глубокую благодарность авторы выражают рецензентам: А. С. Бугаеву – академику РАН, заведующему кафедрой Московского физико-технического института, и С. Б. Беневоленскому – профессору, 
заведующему кафедрой Российского государственного технологического университета им. К. Э. Циолковского, чьи замечания способствовали улучшению содержания УМК. 
Разработанные 17 УМК обеспечат учебно-методическую поддержку подготовки бакалавров и магистров по основным образовательным программам высшего профессионального образования 
по направлению подготовки «Нанотехнология» с профилем подготовки «Наноинженерия» образовательными учреждениями высшего профессионального образования на территории Российской Федерации. 
Авторы будут признательны читателям за все замечания по содержанию УМК, которые следует направлять по адресу: 105005, 
Москва, 2-я Бауманская ул., МГТУ им. Н. Э. Баумана. 
 
В. А. Шахнов 

Предисловие 
7 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

АЛТ 
– атомно-лучевое травление 
ВИМС – вторично-ионная масс-спектрометрия 
ВЧ 
– ток высокой частоты 
ГТ 
– газовое травление 
ИЛТ 
– ионно-лучевое травление 
ИПТ 
– ионно-плазменное травление 
ИС 
– интегральная схема 
ИТ 
– ионное травление 
ИХТ 
– ионно-химическое травление 
КЗ 
– коэффициент загрязнения 
КР 
– коэффициент распыления 
МЛЭ 
– молекулярно-лучевая эпитаксия 
МОП 
– металл–оксид–полупроводник транзистор 
МРТ 
– магнетронная распылительная система 
ПАВ 
– поверхностные акустические волны 
ПХТ 
– плазмохимическое травление 
ПЭМ 
– просвечивающий электронный микроскоп 
РАЛТ 
– реактивное атомно-лучевое травление 
РИЛТ 
– реактивное ионное-лучевое травление 
РИПТ 
– реактивное ионно-плазменное травление 
РМА 
– рентгеновский микроанализатор 
РТ 
– радикальное травление 
РЭМ 
– растровый электронный микроскоп 
САПР 
– система автоматизированного проектирования 
СБИС 
– сверхбольшая интегральная микросхема 
ТП 
– тонкопленочное покрытие 
ХАЧ 
– химически активная частица 
ХТ 
– химическое травление 
ЦМД 
– центральный магнитный домен 
ЧПП 
– чистое производственное помещение 
ЭИПТ 
– электронные, ионные и плазменные технологии 
ЭОС 
– электронная оже-спектроскопия 
CVD 
– Chemical Vapor Deposition, химическое осаждение из 
газовой фазы 

ВВЕДЕНИЕ 

Предмет «Элионные процессы и нанотехнологии» изучается 
студентами в течение 9-го и 10-го семестров и охватывает основные вопросы по изучению процессов, лежащих в основе нанотехнологий, по освоению методик и расчетов в области этих процессов, а также выработки критериев по наиболее эффективному 
и адекватному применению. 
Дисциплина «Элионные процессы и нанотехнологии» (элионные процессы – электронные и ионные процессы) охватывает основные вопросы технологических процессов осаждения тонких 
пленок в вакууме, вакуумно-плазменного травления, ионнолучевой обработки, включая ионную имплантацию, измерения 
и контроль в вакууме. 
Элионные процессы – это процессы воздействия потоков высокоэнергетических частиц в вакууме на обрабатываемые материалы 
и изделия. Характер воздействия зависит от типа частиц (электроны, ионы, атомы, молекулы, газоразрядная плазма), от их энергии 
и химической активности, а также от материала твердого тела (металлы, полупроводники, диэлектрики и т. п.). В зависимости от 
энергии и плотности потока частиц возможны следующие эффекты взаимодействия: модификация поверхности и изменение ее агрегатного состояния, формирование тонкопленочного покрытия, 
микро- и нанорельефа, изменение физико-химических свойств 
приповерхностного слоя и другие эффекты. 
Уникальность этих процессов заключается в «работе» с отдельными атомами и молекулами обрабатываемых материалов, что 
приводит к высочайшей дискретности и точности обработки, причем как локальной, так и по всей поверхности детали. Широк 
и диапазон энергий атомных частиц (от долей электронвольт до 
нескольких ГэВ на частицу) и длительностей воздействия (от 10–16 с 
до непрерывной обработки). Эти процессы реализуют огромные 
плотности мощности пучков (до 1012–1014 Вт/см2), возможности 
дозированного легирования поверхностных слоев готовых изделий 

Введение 
9 

и непрерывного контроля за состоянием, химическим составом 
и геометрическими размерами непосредственно в ходе проведения 
технологической операции. Они обладают возможностью быстрой 
оптимизации параметров и полной автоматизации технологического процесса. 
Элионные процессы являются основной технологической базой, а вакуум – наиболее эффективной средой для нанотехнологии, 
так как они лучше других технологических процессов и сред (атмосферной, жидкостной, газовой) отвечают условию формирования наноструктур «снизу–вверх». Молекулярно-лучевая эпитаксия, проводимая в сверхвысоком вакууме, а также высоковакуумные ионно-плазменные процессы нанесения тонких пленок 
в полной мере отвечают определению «самосборка атомных кластеров на поверхности». 
В качестве подложек для формирования микро- наноструктур 
с помощью элионных процессов используются практические любые твердые материалы: полупроводники, металлы, сплавы, полимеры, стекло, керамика, камень, дерево, ткани, порошковые 
материалы и т. д. Благодаря возможности варьирования в широких пределах параметрами электронных и ионных пучков, газоразрядной плазмы, а следовательно, и видом воздействия на обрабатываемые материалы, элионные процессы имеют широчайший спектр применения для производства и исследований, 
а проведение их в высоком и сверхвысоком вакууме создает 
предпосылки для обеспечения сверхчистой технологической среды и экологической чистоты. 
Методологически дисциплина «Элионные процессы и нанотехнологии» строится на основе рационального соотношения теоретических и прикладных вопросов с обязательным участием студентов в самостоятельном исследовании особенностей элионных 
процессов и нанотехнологий. В курсе предусмотрены теоретические разделы, по которым имеются доступные учебно-методические документы и учебная литература, изучаемая студентами 
самостоятельно. Содержание соответствующих тем разделов 
направлено на усиление роли фундаментальных знаний в теоретической и профессиональной подготовке студента и способствует 
формированию фундаментальных системных знаний и развитию 
творческих способностей. 
Программа дисциплины направлена на решение задач, которые 
ставятся перед специалистами в современных условиях разработки 

Элионные процессы и нанотехнологии 

и производства объектов наноинженерии, требующих широких 
знаний как в области проектирования и технологии их производства, так и в методах их сертификации и измерений. Лабораторные 
работы, включенные в состав дисциплины «Элионные процессы 
и нанотехнологии», спланированы таким образом, чтобы студенты 
могли осознать, закрепить и расширить знания, полученные на 
предшествующих им лекциях, а также смогли сами провести некоторые операции по осуществлению и измерению объектов нанотехнологий наиболее распространенными методами. 
Учитывая большое разнообразие процессов, расчетов и применений элионных технологий, в состав курса «Элионные процессы 
и нанотехнологии» включены лабораторные работы по основным 
из них. Лабораторные работы ориентируют студентов на решение 
типовых задач исследования и анализа объектов наноинженерии, 
возникающих при производстве элементной базы электронной аппаратуры, выбор соответствующих поставленной задаче методов 
и методик проведения измерений, обладающих максимальной эффективностью. Темы лабораторных работ и их содержание связаны 
с формированием и развитием у будущих специалистов практических навыков формирования технологических операций элионных 
технологий, анализа результатов измерений и формулирования выводов по наиболее эффективному применению элионных процессов 
и нанотехнологий в наноинженерии. 
Программа курса предусматривает выполнение в течение семестра студентами, изучающими данный предмет, одного домашнего задания на тему «Расчет неравномерности толщины и однородности состава тонких пленок». Для выполнения домашнего задания студентам необходимы навыки работы с вакуумным 
технологическим оборудованием. Изучение данного оборудования 
и приобретение практических навыков работы с ним студенты 
осуществляют в рамках лабораторных работ по данному курсу.