 | Поиск |
Скачать 0.65 Mb.
|
2.3. Ключевые проблемы развития нанотехнологийАнализ мирового опыта формирования национальных и региональных программ по новым научно-техническим направлениям свидетельствует о необходимости выявления некоторых ключевых проблем в области разработки наноматериалов и нанотехнологий. Первая проблема формирование круга наиболее перспективных их потребителей, которые могут обеспечить максимальную эффективность применения современных достижений. Необходимо выявить, а затем и сформировать потребности общества в развитии нанотехнологий и наноматериалов, способных существенно повлиять на экономику, технику, производство, здравоохранение, экологию, образование, оборону и безопасность государства. Вторая проблема повышение эффективности применения наноматериалов и нанотехнологий. На начальном этапе стоимость наноматериалов будет выше, чем обычных материалов, но более высокая эффективность их применения будет давать прибыль. Поэтому необходимо среднесрочное и долгосрочное финансирование НИОКР по наноматериалам и нанотехнологиям с выбором способов реализации программы, включая масштабы и источники финансирования. Государство заинтересовано в быстрейшем развитии перспективного направления, поэтому оно должно взять на себя основные расходы на проведение фундаментальных и прикладных исследований, формирование инноваций. Третья проблема собственно разработка новых промышленных технологий получения наноматериалов, которые позволят России сохранить некоторые приоритеты в науке и производстве. Четвертая проблема обеспечение перехода от микротехнологий к нанотехнологиям и доведение разработок нанотехнологий до промышленного производства, особенно в области электроники и информатики. Пятая проблема широкомасштабное развитие фундаментальных исследований во всех областях науки и техники, связанных с развитием нанотехнологий. Шестая проблема создание исследовательской инфраструктуры, включая:
Седьмая проблема создание финансово-экономического механизма формирования оборотных средств у институтов и предприятий-разработчиков наноматериалов и нанотехнологий, а также развитие инфраструктуры, обеспечивающей поддержку инновационной деятельности в этой сфере на всех ее стадиях от выполнения научно-технических разработок до реализации высокотехнологической продукции. Восьмая проблема привлечение, подготовка и закрепление квалифицированных научных, инженерных и рабочих кадров для обновленного технологического комплекса Российской Федерации. Для выработки и практической реализации необходимых и достаточных мер в области создания и развития нанотехнологий должна быть сформирована государственная политика, которая, в свою очередь, должна рассматриваться как часть государственной научно-технической политики, определяющей цели, задачи, направления, механизмы и формы деятельности органов государственной власти Российской Федерации по поддержке научно-технических разработок и использованию их результатов. К таким мерам прежде всего необходимо отнести:
Глава 3. Практический опыт наноструктурного изменения свойств материалов при ионно-лучевой обработке Начало планомерных исследований физико-химических особенностей и возможностей практического применения эффектов аномально сильного изменения химической активности имплантированных ионами металлов связано, по-видимому, с открытием уникальных химических свойств лунных материалов, подвергавшихся воздействию «солнечного ветра» («Свойства неокисляемости ультрадисперсных форм простых веществ, находящихся на поверхности космических тел» - Открытие СССР №219, 1979г.). Аналогичный эффект химической пассивации (ХП) тонких металлических слоев, облученных ионами аргона с энергией до 100 тыс. эВ, был установлен рядом авторов в 1980/81гг. и в дальнейшем воспроизведен в Московском институте стали и сплавов, НИИ «Волга» (г. Саратов), НИИ вакуумной техники (г. Москва), НИИ материаловедения (г. Зеленоград) и т.д. С 1982 начали проявляться зарубежные публикации (Япония, США) об исследовании и с 1990г.- о практическом применении эффектов ионно-стимулированной пассивации металлов в процессах литографии, качественного травления топологических рисунков и для повышения коррозионной стойкости материалов. В настоящее время имплантационное регулирования химической активности металлов так же, как и имплантационная металлургия в целом, являются наиболее быстро развивающимися направлениями радиационной физики и технологии материалов СВЧ. 3.1. Изменение структурно-химических свойств материалов Основной реакционно-активной составляющей твердотельных устройств является поверхность. Ионная имплантация открывает новые возможности для придания поверхности свойств, не зависящих от характеристик, определяемых всей массой материала. Таким образом можно создавать уникальные структуры и составы: получать сплавы, которые в жидком состоянии не смешиваются, вводить одно вещество в другое в необходимых пропорциях, которые невозможно достичь даже при использовании высоких температур. По отношению к полупроводникам ионная имплантация применяется почти исключительно для изменения их электрических свойств. Что касается металлов, то в этом случае на первый план выдвигаются задачи изменения их металлических и химических свойств. Такой способ получения желаемых свойств материала ценен тем, что он требует изменения размеров или объемных свойств деталей; к тому же адгезия имплантированных поверхностей не ухудшается в отличие от тех случаев, когда применяются различного рода покрытия. 3.2. Изменение свойств материалов твердотельных приборов Рассмотрим перспективы применения ионной имплантации электрически неактивных примесей (ЭНП) в технологии СВЧ микроэлектроники. При выполнении ряда технологических операций нежелательны как электрические, так и химические последствия имплантации. Это требует имплантации ионов инертных газов. Для создания новых структурных модификаций и ионного перемешивания достаточно введения радиационных дефектов либо энергетического воздействия ионов на обрабатываемый материал. При ионной имплантации ЭНП введенные дефекты зачастую можно удалить последующей термической обработкой. Некоторые достоинства ионной имплантации при ограниченных возможностях современного оборудования можно реализовать только на ЭНП, например, небольшим пробегом в бомбардируемых материалах обладают ионы самого легкого элемента, являющегося ЭНП, водорода. Широкими возможностями обладает ионная имплантация ЭНП в технологии полупроводниковых СВЧ-устройств. Например, при создании активных полупроводниковых областей ионная имплантация ЭНП обеспечивает изменение числа радиационных дефектов, приходящихся на один атом внедренной примеси путем двойной имплантации электрически активной и неактивной примесей, что позволяет управлять электрическими свойствами получаемых слоев и кинетической отжига радиационных дефектов. Так одновременное легирование арсенида галлия ионами галлия и селена увеличивало коэффициент использования селена и влияло на профиль распределения электронов в легированном слое. Ионная имплантация ЭНП в ряде случаев улучшает электрические свойства диэлектриков, например, двуокиси кремния. Возможно и непосредственное создания активных слоев при ионной имплантации ЭНП, например, легированием атомами отдачи. Представляет практический интерес метод направленного изменения электрических свойств полупроводниковых областей путем ионной имплантации ЭНП. Он используется:
Ионная имплантация ЭНП может использоваться в имплантационной металлургии для получения новых материалов и химических соединений. Такие материалы зачастую обладают ценными свойствами и специальными характеристиками. К этому направлению относится получение нитридов, резистивных композиций, металлических резисторов, использование процессов ионного перемешивания и структурной модификации. В работах приведены исследования кинетики ионно-лучевого перемешивания многослойных пленок различного состава. Исследовано перемешивание пленок Fe-Al с целью создания металлических резисторов. Многослойная структура с последовательным чередованием слоев Fe-Al (по 3 слоя каждого элемента при толщине слоя 10-20 нм) подвергалась бомбардировке ионами с E=250 кэВ при температуре 300 К. Одновременно с ионной бомбардировкой проводилось измерение электрического сопротивления образцов. Установлено, что зависимость электрического сопротивления от дозы ионного облучения имеет тенденцию к насыщению при критической дозе, соответствующей полному перемешиванию многослойной пленки. Имплантацию ионов ЭНП можно использовать при получении металлических слоев и композиций металл-полупроводник в таких процессах как:
С технической точки зрения представляет наибольший интерес увеличение адгезии материалов при ионном перемешивании. Например, при облучении ионами аргона пленок сурьмы, нанесенных методом вакуумного напыления на полированную поверхность алмаза, адгезия увеличивается в 15-25 раз по сравнению с необлученной частью пленки. Известны методы направленного изменения свойств пленок фоторезистора под действием облучения различными частицами с целью увеличения адгезии, изменения структуры, оптических свойств и других параметров. Применение ионного облучения фоторезистора позволяет сформировать фотошаблоны на основе таких пленок. Положительный эффект наблюдается на пленках с толщиной, не превышающей 0,3 мкм, при этом необходимым условием является проникновение ионов сравнительно большой массы до границы пленка-подложка. Эффект упрочнения наблюдается для ионов фосфора и аргона. Важнейшим условием получения прочной пленки является режим нанесения фоторезиста, обеспечивающий равномерное покрытие стекол пленкой толщиной порядка 0,3 мкм. Оптимальным вариантом считается облучение аргоном с энергией более 120 кэВ и дозой 1000-1500 мкКл/см. В результате значительно снижается трудоемкость, расход материалов и себестоимость рабочих фотошаблонов, повышается механическая стойкость системы пленка-подложка, о чем свидетельствуют замеры сравнительной износостойкости различных пленок, используемых для фотошаблонов. 3.3. Влияние ионно-лучевой обработки на химическую активность материалов Пленки, прошедшие облучение, кроме изменения механических свойств приобретают высокую стойкость к химическим воздействиям и выдерживают многочасовое кипячение в растворителях и кислотах. Потемнение пленок, увеличение адгезии, изменение химической стойкости связано с полимеризацией пленок, количеством и распределением внедряемых атомов, о чем говорят зависимости перечисленных параметров от массы ионов, энергии и дозы облучения. Другие органические пленки, подвергнутые облучению, ведут себя аналогичным образом. Эффекты аномально сильного изменения химической активности твердых тел при ионном облучении значительно расширяют возможности ионно-лучевой технологии, в частности при ионной литографии, пассивации, травлении. Эти эффекты наиболее важны при проведении основных технологических операций литографии и травления. При этом особый интерес представляет возможность безрезистного формирования скрытых изображений с последующим проявлением в жидких травителях, так как в настоящее время жидкостное травление преобладает в большинстве технологических линеек изготовления полупроводниковых приборов и ИС. При имплантации электрически активных примесей возможно образование новых химических соединений и изменение электропроводности материала, что приводит к изменению химической активности материала в целом. Такие изменения имеют место при ионной имплантации ЭНП и носят характер как повышения активности, так и пассивации. Авторы отчета установили, что при бомбардировке алюминия ионами на облученных участках формируются области с меньшей скоростью травления в химических реагентах по сравнению с областями, не подвергшихся бомбардировке. Изучались пленки алюминия толщиной 0,1 мкм, полученные электронно-лучевым напылением на кремниевые монокристаллические подложки. Рисунок создавался ионной имплантацией через маску из металлической фольги, в которой фотолитографией был сформирован набор отверстий. Медно-бериллиевая маска прижималась к алюминиевой пленке. Ионы бора, фосфора, кремния, аргона, алюминия имплантировались с разными энергиями и дозами. После имплантации образец помещался в растворитель при комнатной температуре на три минуты и далее промывался водой. Нестравленные участки слоя имели высоту 100 нм. Однако слой полностью растворялся, если образец оставался в травителе дольше 6 минут. Оптимальный режим пассивации при имплантации ионов фосфора наблюдался при энергии 30 кэВ. Применительно к задачам технологии акустоэлектронных устройств большой интерес представляет метод безрезистной ионной литографии на пленках алюминия. В этой работе металлические пленки шириной 0,5 мкм облучали при различных дозах потоком ионов As, Sb, N2 и Ar и затем подвергали травлению в фосфорной кислоте. Основной причиной снижения скорости травления после ионной обработки является изменение морфологии пленок, однако механизм этот весьма сложен. Исследование влияния ионной бомбардировки на химическую активность металлических пленок проведено авторами отчета. Показано, что эффекты пассивации проявляются при различных дозах бомбардирующих ионов. Таким образом, оба эффекта могут быть воспроизводимо разделены подбором режимов имплантации. Пассивация более сильно выражена при сравнительно невысоких энергиях (50 кэВ-75 кэв), а активация, напротив, при энергиях выше 125 кэВ. При высоких энергиях (150 кэВ) эффекты активации наиболее ярко выражены и воспроизводимы, пассивация теряет пороговый характер. Наблюдаемые эффекты слабо зависят от природы материалов, из которых приготовлены образцы, и их кристаллической структуры. При ионной имплантации ЭНП наблюдается и значительные изменения, электрохимических свойств материалов. Например, после ионной обработки металлических пленок, применяемых в изделиях электронному техники, не только заметно повышается инертность к внешним химическим воздействиям, но и эффективно предотвращается их электрокоррозия при высокой влажности. Одной из причин, вызывающей пассивацию, авторы отчета считают образование при ИЛО полимерных пленок из углеродосодержащих фрагментов остаточных газов вакуумной камеры. Так, были получены тонкие пленки полимеризованной эпоксидной смолы при испарении ее при 110С в высоком вакууме с одновременной электронной бомбардировкой подложки. Полученные пленки обладали исключительной твердостью, а по стабильности изолирующих свойств превосходили пленки двуокиси кремния. |
| Поиск |