Формирование функциональных слоев

Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение высшего образования 
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана 
(национальный исследовательский университет)»
Ю.В. Панфилов
Формирование функциональных слоев
Учебное пособие

УДК 621.3.049(075.8)
ББК 32.85
 
П16
Издание доступно в электронном виде по адресу 
 https://bmstu.press/catalog/item/6774/
Факультет «Машиностроительные технологии»
Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»
Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия
Панфилов, Ю. В.
П16  
Формирование функциональных слоев : учебное пособие / Ю. В. Панфилов. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2020. — 
90, [2] с. : ил.
ISBN 978-5-7038-5350-4
Дано описание основных физических явлений при воздействии ускоренных потоков электронов, ионов и газоразрядной плазмы на поверхность обрабатываемых изделий. Рассмотрены ключевые операции изготовления микро- 
и наноструктур: нанесение тонких пленок в вакууме, вакуумно-плазменное 
травление и ионная имплантация. Акцентировано внимание на взаимосвязи 
между характеристиками технологических операций и показателями качества 
получаемых микро- и наноструктур. Приведены физико-химические модели 
расчета основных режимов элионной обработки.
Для студентов, обучающихся по направлениям «Наноинженерия» и «Электроника и наноэлектроника».
УДК 621.3.049(075.8) 
ББК 32.85
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020
© Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-5350-4 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020

Предисловие
Учебное пособие подготовлено для самостоятельной проработки студентами модуля «Формирование функциональных слоев» дисциплины 
«Технология и оборудование микро- и наноэлектроники», входящей в образовательную программу бакалавриата по направлению подготовки 28.03.02 
«Наноинженерия» (уровень бакалавриата), профиль «Инженерные нанотехнологии в машиностроении», и дисциплины «Процессы и оборудование 
микротехнологии», входящей в образовательную программу бакалавриата по направлению подготовки 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника» 
(уровень бакалавриата), профиль «Электронное машиностроение».
Цель изучения модуля — освоение системы общих принципов, положений и методов построения наукоемких технологических процессов на примере формирования функциональных слоев микро- и наноструктур.
Для изучения модуля необходимо предварительное освоение следующих 
дисциплин.
1. Иностранный язык («Профессиональная и научная терминология»).
2. Математический анализ («Дифференциальное исчисление»).
3. Аналитическая геометрия («Векторная алгебра», «Матрицы и системы 
линейных алгебраических уравнений»).
4. Интегралы и дифференциальные уравнения.
5. Линейная алгебра и функции многих переменных.
6. Информатика.
7. Физика («Физические основы термодинамики», «Электричество 
и  магнетизм», «Электромагнитные волны и оптика», «Основы квантовой 
теории», «Физика твердого тела»).
8. Химия («Строение вещества», «Общие закономерности протекания 
химических процессов», «Химические и электрохимические процессы в растворах», «Химия элементов»).
9. Квантовая теория твердого тела («Физические процессы в квантоворазмерных структурах», «Наноэлектронные приборы и устройства»).
10. Физико-химические основы нанотехнологий.
После изучения модуля студенты овладеют:
• базовыми знаниями о номенклатуре, возможностях и перспективах 
развития процессов формирования функциональных слоев микро- и наноструктур;
• методами анализа и управления качеством технологических процессов формирования функциональных слоев микро- и наноструктур;
• практическими навыками расчета и выбора параметров процессов 
формирования функциональных слоев микро- и наноструктур.
3

Введение
Во второй половине XX века в промышленности появился новый вид 
обработки — электронные технологии (electronic technology), в которых в качестве инструмента стали использоваться высокоэнергетические потоки частиц 
(high energy particle flow): электронов, ионов, атомов и молекул, а также газоразрядная плазма (discharge gas plasma) и различные излучения (radiation): 
оптическое, инфракрасное (ИК), гамма, рентгеновское. Применяли также 
наименования «электронно-ионно-плазменные», «элионные» технологии, 
однако наименование «электронные» получило распространение как наиболее простое.
К электронным технологиям стали относить ряд нетрадиционных процессов, возникших и отработанных первично в электронной промышленности. Среди них наиважнейший — вакуумирование, получение разреженной среды (вакуума) в замкнутых объемах, в которых проводятся различные 
технологические операции. В категорию качества стали входить не только 
точность форм и размеров деталей, бесшумность и безотказность машин 
и  приборов, но и экологическая безопасность технологий, комфортность 
обслуживания технологического оборудования.
Понадобились сверхчистые конструкционные материалы и методы их 
контроля, технологические воздействия в микронных зонах с микронным 
диапазоном точности, чему традиционные технологии машиностроения 
и приборостроения были не в состоянии удовлетворять.
В сфере производства при получении конструкционных материалов 
и их обработке использовались две технологические среды — атмосферная 
и  жидкостная. Однако сверхчистые материалы не могут быть получены 
в атмосфере из-за растворения нежелательных газов в объеме и на поверхности. Их химический состав и свойства поверхности не могут быть должным образом оценены из-за поверхностной адсорбции паров и газов. Традиционные инструменты формообразования и размерной обработки резанием 
и пластическим деформированием имеют прочностные пределы миниатюризации и обеспечить микрообработку не в состоянии. А потоки электронов 
и ионов, поддающиеся необходимой фокусировке, в атмосфере функционировать не могут. Нанесение гальванических покрытий и иные технологические методы формирования защитных свойств поверхностного слоя были 
возможны лишь в токсичных жидких или высокотемпературных паровоздушных средах с экологически опасными стоками и выбросами.
Коренной перелом в решении проблем качества стал возможным благодаря новой технологической среде — вакууму (vacuum), который в настоящее 
4

Введение
время используется для плавки, сварки и других традиционных технологических процессов. Плавка в вакууме позволяет получать особо чистые металлы, без раковин и загрязнений. Сварка в вакууме избавляет от коррозионной хрупкости сварные швы и точки соединения. Вакуумная упаковка 
продуктов позволяет длительно сохранять все необходимые свойства, сушка 
в вакууме взамен высокотемпературной атмосферной не приводит к разложению веществ и образованию токсичных выбросов.
Вакуумная техника и электронные технологии дали путевку в жизнь 
многим принципиально новым процессам. Прежде всего это экологически чистое безотходное нанесение тонкопленочных покрытий, проводящих 
электрический ток и изоляционных, коррозионно-стойких и упрочняющих, 
износостойких и антифрикционных, энергосберегающих и декоративных. 
К новым процессам относятся: электронно-лучевая микрообработка (electron 
beam micro-treatment) — получение отверстий, пазов, сварка, отжиг, нанесение тонких пленок и др., «сухое травление» (dry etching) ионными потоками 
или газоразрядной плазмой с микронным съемом материала по поверхности; микролитография (microlithography) — получение на плоскости топологических структур с микронным и субмикронным уровнем разрешения. Это 
высочайшей точности контроль в вакууме с помощью потоков частиц размеров микроструктур, химического состава и физических свойств поверхности материалов.
Электронные технологии, рожденные первоначально в электронной 
промышленности, в настоящее время стремительно развиваются и находят 
применение в ядерной энергетике и космонавтике, электротехнике, машиностроении и приборостроении, строительстве, медицине, при производстве бытовых и художественных изделий.
Для создания структур с соизмеримыми атомными размерами предназначена нанотехнология (nanotechnology) — новая ступень развития электронных технологий, которая базируется уже не только на принципе удаления 
лишнего материала, но и на достижении необходимых свойств изделий путем добавления атома за атомом.

1. Основы электронных, ионных  
и плазменных технологий.  
Нанесение тонких пленок в вакууме
В этом разделе акцентируется внимание на том, что в электронных, ионных 
и плазменных технологиях в качестве инструмента используются высокоэнергетические потоки электронов, ионов, атомов и молекул, а также газоразрядная плазма. Показано, что в зависимости от энергии частиц можно проводить 
очистку и активацию поверхности, наносить тонкие пленки испарением или 
распылением материалов, формировать микро- и нанорельеф ионным травлением, легировать полупроводниковые и другие материалы ионами примеси.
Приведена классификация методов нанесения тонких пленок в вакууме, 
которая отражает различные способы генерации пленкообразующих частиц: 
термическое и дуговое испарение, ионное распыление, лазерная абляция, напуск 
смеси газов. Дано описание материалов тонкопленочных покрытий и вариантов 
их использования в электронике, машиностроении, энергетике, оптике. Проведен анализ параметров технологического процесса и оборудования, определяющих скорость нанесения покрытия, структуру материала тонкой пленки, 
функциональные характеристики и назначения.
Рассмотрены индивидуальная и групповая обработка, методы обеспечения 
однородности состава, равномерности толщины (закон Кнудсена) и заданной 
структуры материала и характеристик проводящего и диэлектрического тонкопленочного покрытия.
Ключевые слова: энергия частиц, газоразрядная плазма, термическое испарение, ионное распыление, тонкие пленки, методы нанесения.
Планируемые результаты обучения
После изучения раздела 1 «Основы электронных, ионных и плазменных 
технологий. Нанесение тонких пленок в вакууме» вы сможете:
• объяснять отличие электронных технологий от других способов воздействия на обрабатываемые материалы, перечислять эффекты взаимодействия ускоренных потоков электронов, ионов, атомов, молекул и газоразрядной плазмы с твердым телом;
• представлять в едином виде энергию частиц в зависимости от ускоряющего напряжения, массы и скорости движения частицы, ее температуры;
• анализировать и выбирать метод нанесения тонкой пленки по таким 
критериям, как способ генерации пленкообразующих частиц и их энергия, 
интенсивность потока частиц и степень их ионизации;
6

1.1. Потоки ускоренных частиц в качестве инструмента...
• приводить в соответствие формируемые неравномерность толщины 
тонкопленочного покрытия и его стехиометрический состав с типом источника нанесения тонкой пленки и взаимным расположением источника 
и подложки; 
• для заданной структуры тонкой пленки демонстрировать взаимосвязь 
основных режимов технологического процесса — скорости осаждения и температуры подложки, рассчитывать критическую температуру подложки, при 
которой пленка переходит из рентгеноаморфной в кристаллическую;
• рассчитывать давление остаточных и рабочих газов в вакуумной камере для заданной однородности состава тонкой пленки и известной интенсивности потока пленкообразующих частиц;
• выбирать метод и рассчитывать режимы формирования тонкопленочного резистора, конденсатора или токопроводящей дорожки при заданном электрическом сопротивлении или емкости, длины и ширины 
проводника, площади обкладки, а также от требуемой программы выпуска 
приборов.
1.1. Потоки ускоренных частиц в качестве инструмента 
в электронных технологиях
В данном разделе изложены физические эффекты, возникающие при 
взаимодействии потоков ускоренных частиц с поверхностью обрабатываемого материала, а также связанные с этими эффектами виды технологических операций производства изделий микро- и наноэлектроники.
1.1.1. Эффекты взаимодействия частиц с поверхностью твердого тела 
в зависимости от их энергии
Характер воздействия потоков частиц в вакууме на материалы зависит 
от типа частиц (электроны, ионы, атомы, молекулы), от их энергии и химической активности, а также от материала твердого тела (металлы, полупроводники, диэлектрики). Энергия воздействия E определяется массой частиц m и скоростью их движения V (E = mV2/2), электрическим зарядом q 
и ускоряющим напряжением U (E = qU), а также температурой частиц T 

(E = kT, где k — постоянная Больцмана, равная 1,38⋅10–23 Дж/К).
Уникальность электронных технологий 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. Диапазон энергий атомных частиц — от 
нескольких электрон-вольт до нескольких гигаэлектрон-вольт на частицу, 
длительность воздействия — от непрерывной обработки до 10–16 с, плотность мощности пучков –1012…1014 Вт/см2. Возможен непрерывный контроль за состоянием, химическим составом и геометрическими размерами 
изделия непосредственно в ходе проведения технологической операции.
7

1. Основы электронных, ионных и плазменных технологий...
В зависимости от энергии частиц возможны следующие эффекты взаимодействия и их практические приложения (табл. 1.1): эффект «падающего снега» при энергии Emin = 0,1…0,3 эВ; эффект «теннисного шарика» при энергии E1 = 100…200 эВ; эффект «булыжника» при энергии E2 =
= 0,7…1,5 кэВ; эффект «пули» при энергии E3 = 30…100 кэВ; эффект «нейтрино» при энергии Emax ≈ 1 МэВ.
Таблица 1.1
Основные виды взаимодействия потоков ускоренных частиц с энергиями 
от Emin до Emax с обрабатываемыми материалами
Взаимодействие
Схема взаимодействия
Emin: осаждение тонких пленок; химическая обработка поверхности; сорбционно-десорбционные процессы
E1 > Emin: активация поверхности; нагрев для термообработки, плавления, 
испарения (в том числе для локального 
воздействия)
E2 > E1: выбивание атомов и молекул 
с поверхности для ее очистки и создания нано- и микрорельефа, изучение 
химического состава формирования 
атомарного и молекулярного потоков
E3 > E2: проникновение в материал для 
генерирования излучений, исследования и изменения (путем имплантации) 
химического состава и физических 
свойств
Emax: проникновение сквозь материал 
для изготовления сверхтонких мембран и фильтров, создания основы для 
получения наноматериалов
Примечание. В таблице обозначены: 
, 
 — падающие и выбитые частицы соответственно; ≈ — нагрев; e — электрон; * — внедренные частицы; 
 — обрабатываемый материал; hν — фотон.
8

1.1. Потоки ускоренных частиц в качестве инструмента...
Энергия ионов в плазме или пучке зависит также от заряда иона — кратности ионизации z: E = qezU (где qe — заряд электрона). Соотношение ускоряющего напряжения U, температуры T и скорости движения частицы  V 
можно найти из следующего равенства: E = qezU = kT = mV 2/2. Так, при 

z = 1 энергия иона, равная 1 эВ (электрон-вольт), соответствует энергии E =
= 1,6·10–19 Кл, 1 эВ = 1,6·10–19 Дж. Энергия частицы, «нагретой» до 
1000 К, составляет E = kT = 1,38·10–23.1000 = 1,38·10–20 Дж или E =
= 1,38·10–20 Дж/1,6·10–19 Кл = 0,086 эВ, а при комнатной температуре 293 К 
энергия частицы E = 1,38·10–23·293 = 4·10–21 Дж или E = 0,04 эВ.
Чтобы «нагреть» плазму до температуры T = 106 К, нужно придать частицам энергию E = kT = 1,38·10–23 Дж/К·106 К = 1,38·10–17 Дж или E =
= 86 эВ, т. е. разность потенциалов между электродами (ускоряющее напряжение) должна составлять всего U = 86 В. При энергии электрона E =
= 2·10–20 Дж (его «температура» немного больше 1000 К) он имеет скорость 

V = 1,4·105 м/с (E = mV 2/2, масса покоя электрона m = 9,1·10–31 кг). Если 
электрон ускорить напряжением U = 106 В, то его энергия составит E =
= 1,6·10–13 Дж, а скорость, соответственно, V = 5,9·108 м/с, т. е. больше, чем 
скорость света (3·108 м/с), чего не может быть, поскольку, согласно релятивистской теории, при приближении к скорости света начинает увеличиваться масса частицы (при E = 1,6·10–13 Дж и V = 3·108 м/с масса электрона 
увеличится и составит m = 3,55·10–30 кг).
1.1.2. Элионные операции при изготовлении интегральных микросхем
Традиционно при формировании микроструктуры современной интегральной микросхемы осуществляется пять основных операций: нанесение 
функциональных слоев, микролитография, вакуумно-плазменное травление, ионная имплантация и быстрая термическая обработка.
На рис. 1.1, а приведена электрическая схема, а на рис. 1.1, б — разрез топологической структуры интегральной микросхемы, сформированной 

Рис. 1.1. Электрическая схема (а) и разрез 
топологической структуры  (б), сформированной на полупроводниковой подложке
9

1. Основы электронных, ионных и плазменных технологий...
на полупроводниковой подложке с помощью следующих операций: нанесение тонких пленок (металлических и диэлектрических), микролитография 
(формирование топологического рисунка в фоторезисте), вакуумно-плазменное травление («вскрытие» окон в металлических или диэлектрических 
пленках и удаление фоторезиста), ионная имплантация или диффузия (получение  p- и n-областей: базы (Б), эмиттера (Э) и коллектора (К)), а также быстрая термическая обработка (отжиг микроструктур после ионной 

имплантации).
Современные сверхбольшие интегральные микросхемы (СБИС) представляют собой многослойные микроструктуры, для изготовления которых перечисленные выше операции повторяются многократно (до 20 раз 
и более). С помощью операции нанесения тонких пленок на полупроводниковую пластину осаждаются металлы (алюминий Al, медь Cu, титан Ti, 
вольфрам W), полупроводники (кремний Si, арсенид галлия GaAs), оксиды 
(диоксид кремния SiO2), нитриды (кремния Si3N4, титана TiN) и другие 
материалы.
1.2. Нанесение тонких пленок в вакууме
Понятие «тонкие пленки» связано с так называемым размерным эффектом, когда свойства материала в виде тонкой пленки значительно отличаются от свойств того же материала в монолитном (объемном) виде.
1.2.1. Материалы и области применения тонких пленок 
Тонкие пленки можно получать практически из любых материалов. Наносить их можно на полупроводниковые и диэлектрические подложки, металлические и неметаллические детали. Области использования тонкопленочных покрытий имеют очень широкий диапазон (табл. 1.2).
Таблица 1.2
Материал и область применения тонких пленок и покрытий
Тип пленки 
Область применения
Материал пленки
или покрытия
Антибликовое
Оптика
Оксид SiO2 и нитрид Si3N4 кремния, 
оксиды титана TiO2, цинка ZnO, 
олова SnO2
Антистатическое
Микроэлектроника
Оксиды индия InO, олова SnO, 
цинка ZnO
Аналитическая
Датчики 
относиПлатина Pt, титан Ti
тельной влажности, 
медицина
10