Проектирование многозондовой системы

Рис. 24. Наглядный пример отсутствия металлизированных контактных площадок на кристалле.

- автоматизированная подача сигналов на пары пьезопривод-зонд в соответствии с полученной при анализе поверхности информации.

- анализ полученных данных и их наглядное представление, например карта высот в градациях серого и трёхмерная модель, построенная на основании этих данных. Должен быть возможен вывод набора изображений, а в случае ошибки или остановки процесса - должно выводиться изображение, имеющее отношение к ошибке.

- вывод предупреждения о необходимости замены зонда или всей пары пьезопривод-зонд, возможность юстировки и настройки нового устройства в системе.

- возможность экспорта данных для сбора статистики по работе производства, наличии и процентном соотношении брака и выхода годных изделий, формирование отчётов.

3.2 Проведение технологических процессов

Возможно проведение различных технологических процессов с использованием различных техник манипуляции над поверхностью, в контексте данной работы будут рассмотрены только техники, касающиеся туннельной микроскопии, а именно имеющие электрическую природу физического взаимодействия. Ниже приведены примеры данных взаимодействий:

- испарение, эмитирование материала зонда;

- локальное окисление;

- осаждение из газовой фазы с использованием сканирующего туннельного микроскопа;

- локальное испарение материала;

- экспонирование резиста;

- манипуляция над отдельными атомами;

В отличие от "традиционных" методов литографии все операции проводятся на близком расстоянии относительно подложки. При всех достоинствах локальной манипуляции над веществом, данный метод имеет существенный недостаток в сравнении с любой другой известной литографией - производительность процесса ограниченна несколькими микронами в секунду из-за инертности пьезокерамики.

Экспонирование резиста возможно ровно так же как и в системах с использованием электронного пучка. Существуют примеры экспонирования полиметилакрилата для получения маски и затем, после снятия резиста, были получены проводники из золото-паладиевого сплава с шириной 22 нм и толщиной 12 нм. В атмосфере кислорода и OH групп возможно локальное окисление поверхности.

В случае испарения материала зонда, игла зонда выступает в роли источника излучения. Когда прикладывается напряжение, атомы или наночастицы могут быть перенесены с кончика иглы на поверхность. Сам зонд можно покрывать материалом, отличным от материала зонда. Таким образом возможно создание структур с крайне малыми размерами. Существует возможность удалять атомы с поверхности аналогичным образом. Электронный луч между иглой и поверхностью материала может сообщать атомам энергию для преодоления межатомных связей. Примечательно, что возможно достигать огромных напряжённостей электрического поля (порядка 10 ГВ/м). Данный метод позволяет кроме вышеуказанных проводить огромное количество различных технологических процессов, таких как анодное окисление полупроводников и металлов, разложение оксидов редкоземельных металлов, солей металлов и ионных проводников и даже записывать информацию на носители. При комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении был создан самый маленький рисунок на кремниевой поверхности.

Манипуляция над отдельными атомами предлагает крайне высокую точность работы и возможность помещать атомы требуемого материала в необходимое место. Отдельные атомы посредством коротких импульсов напряжения могут быть закреплены на кончике иглы зонда, а затем перемещены в требуемую точку и размещены обратно на материале. Данный метод подходит для работы с наноструктурами, в том числе и органическими. Существуют эксперименты по созданию наноустройств, выполняющих функции транзисторов и квантовых точек.

Все вышеприведённые методы зондовой литографии с использованием туннельного тока открывают огромные возможности по локальному воздействию на подложку и создание желаемых структур высокой сложности.

3.3 Защита от внешних воздействий

Недостаточно спроектировать прецизионную систему, необходимо обеспечить её защиту от внешнего влияния. В данном разделе будут рассмотрены воздействия, которые негативно повлияют на повторяемость результатов и качество изделий, получаемых приведёнными выше методами.

Колебания сопровождают человека в любой области его деятельности. В контексте зондовой микроскопии колебания и вибрации оказывают негативное влияние на результаты исследований, добавляя шумы различной амплитуды и частоты в изображение исследования, а также при резонансе с пьезоприводом или зондом вызывают опасность повреждения зонда или образца.

Для того, чтобы не допустить повреждений зонда и образца, улучшить результаты исследования, необходимо ликвидировать вибрации или исключить их из результата исследования с помощью компьютерной модели. В САПР Solidworks возможно исследование форм колебаний всей установки и нахождение резонансных частот.

Следует заметить, что исследовательский образец может быть крайне дорогостоящим и не допускать появления дефектов на поверхности, повреждения, вызванные касанием зонда к поверхности крайне сложно исправить.

Замена или повторная заточка зонда может занимать большие временные промежутки, если проводить ее неоднократно. Замена зонда, как было отмечено выше, приводит к необходимости заново калибровать пьезопривод с зондом.

Как правило, вибрации проявляются в диапазоне от инфразвуковых частот до ультразвуковых частот. Частота вибрации f измеряется в Герцах. Кроме частоты вибрацию можно так же охарактеризовать амплитудой смещения А, которая обычно измеряется в миллиметрах и микрометрах; амплитудой скорости v, измеряемой в см/с, и амплитудой ускорения щ, измеряемой в см/с 2.

Для синусоидальных, самых простых колебаний, можно определить скорость и ускорение по следующим формулам:

В общем случае колебания являются негармоническими, составленные из суммы простейших колебаний с различными амплитудно-частотными характеристиками. Представление вибрации в виде функции амплитуды от времени в случае негармонических колебаний не является наглядным и информативным. В таком случае вибрации представляют в виде функции амплитуды от частоты, что позволяет произвести частотный анализ. Примеры вибраций и их частотный анализ представлены на рис. 25.

Рис. 25. Примеры представления негармонических колебаний как функций амплитуды от времени и амплитуды от частоты.

Для оценки амплитуд механических колебаний можно так же приводить различные значения. На рис. 26 показаны различные характеристики сигнала для синусоидальных колебаний, так же применимые к вибрациям.

Рис. 26. Амплитудные характеристики колебаний.

Двойное значение амплитуды является важным для туннельной микроскопии, но должно быть как можно более маленьким (в идеале отсутствовать), чтобы не оказывать влияния на результаты сканирования. Соответственно, среднее значение имеет большое значение в контексте зондовой микроскопии, как постоянная составляющая, которую необходимо удалить из конечного изображения. Среднее значение может быть определено следующим образом:

Пиковое и среднеквадратические значения в зондовой микроскопии ограниченно применимы - превышение этих значений над расстоянием между зондом и подложкой приведет к порче последних. Наличие информации о пиковой и среднеквадратическом значениях амплитуды может позволить остановить исследование, так как его продолжение не будет иметь смысла. Пиковое значение в большинстве случаев характеризует случайный толчок, вызывающий вибрацию в системе, среднеквадратическая амплитуда характеризует временное развитие исследуемых колебаний и энергию колебаний, определяется как:

Для устранения вибраций существует несколько методов.

Организационный метод состоит в том, что для установки с туннельным микроскопом обеспечиваются такие условия, когда вибрации с определенными частотами не могут повлиять на зонд и образец. Например, в электронной промышленности все системы, как правило, монтируются на массивные станины из цельного куска стали, что позволяет значительно ослабить влияние внешних вибраций, ещё одним вариантом понижения влияния вибраций являются демпфирующие станины из упругих материалов. Организационный метод также включает в себя исключение разговоров (или издание любого иного шума) персонала в одной комнате с работающим прибором.

Конструктивный метод состоит в том, что туннельный микроскоп проектируется таким образом, что при правильной эксплуатации определенные вибрации не могут повлиять на результаты исследования. Например, используется массивная изолирующая крышка для защиты от звуковых колебаний, возможно применение электронного микроскопа в вакууме. Проектирование туннельного микроскопа может быть так же проведено с оценкой резонансных частот его элементов, вследствие чего возможна остановка работы системы до устранения данных резонансных вибраций.

Непосредственное измерение вибраций можно отнести к последнему методу ликвидации влияния вибраций на туннельный микроскоп. В таком случае информация о вибрации должна быть записана в момент выполнения исследования той или иной точки поверхности образца, а затем из итогового изображения должно быть произведено вычитание измеренной величины вибрации.

На сегодняшний день существует множество систем для измерения вибраций, так как данный вопрос актуален и в других областях человеческой деятельности.

В общем виде базовую схему для измерения вибраций можно представить в виде трех элементов: детектор вибрации, предусилитель и анализатор. Зачастую в качестве анализатора может выступать персональный компьютер. Детектор вибраций играет большую роль, существует несколько реализаций данных детекторов: механические, пьезоэлектрические, электрокинетические и бесконтактные.

Механические детекторы вибраций обнаруживают вибрации по колебанию грузика в своем составе. По сравнению с остальными детекторами они имеют высокую надежность срабатывания, не требуют питания, так как вырабатывают сигнал самостоятельно, но не могут обнаруживать вибрации с частотой более 700 Гц. Как правило, их используют для обнаружения подземных толчков, землетрясений и вибраций зданий.

Пьезоэлектрические детекторы реагируют на деформацию пьезоэлементов (прямой пьезоэффект) и вырабатывают таким образом электрический сигнал, по характеристикам которого можно судить о параметрах вибрации. Данные детекторы имеют максимально обнаружимые частоты порядка 103 Гц и больше.

Электрокинетические детекторы имеют в своем составе полярную жидкость, перетекающую через диафрагму. Перетекание жидкости происходит при возникновении разности давлений, что в свою очередь меняет разность потенциалов на диафрагме, снимая который можно говорить о параметрах вибрации. Частотный диапазон таких детекторов весьма ограничен - от 1 Гц до 1 кГц.

Бесконтактные детекторы работают за счет изменения ёмкости или индуктивности. Возникающей между поверхностью детектора и поверхностью, с которой снимают показания. Данные детекторы имеют широкий частотный диапазон - от сотых долей Гц до десятков кГц.

Многие фирмы предоставляют готовые решения для измерения вибраций, вот обзор этих решений в виде таблицы.

Таблица 8.

Готовые решения для измерения вибраций.

Следует так же учесть важный момент с экранированием системы от внешних излучений и обеспечение электромагнитной совместимости. Сами пьезоприводы не подвержены влиянию магнитных полей, так как пьезоэффект имеет электрическую природу. Данный момент зачастую упоминается на сайтах производителей пьезокерамики, как неоспоримое преимущество.

Однако, в системе находится немало проводников и присутствует системы управления и обратной связи, при этом к управляющим, как правило аналоговым, сигналам предъявляются жёсткие требования, помехи могут повлиять на качество производимой продукции и эксплуатацию системы в составе установки саму по себе. Поэтому нельзя игнорировать экранирование самого оборудования и проектирование электрической части системы с учётом требований электромагнитной совместимости. Таким образом, присутствует две проблемы электромагнитной совместимости - внутрисистемная и межсистемная.

Ещё на стадии проектирования необходимо знать параметры помехоэмиссии и помехоустойчивости, опубликованных в стандартах электромагнитной совместимости. Следует отметить, что многие электронные средства содержат элементы, выступающие в роли антенн, например, кабели, проводники на печатных платах, внутренние проводящие конструкции. Для обеспечения ЭМС необходимо устанавливать барьеры внутри системы, обеспечить такие пути тока, которые будут препятствовать проникновению помех.

Проектирование управляющей системы возможно с учётом трёх уровней управления электромагнитными помехами:

- первичный уровень включает в себя такие методы проектирования, как развязка, симметричные схемы, ограничение полос частот, компоновка плат и заземление.

- вторичный уровень учитывает связь между внутренними цепями устройства и внешними кабелями, для решения проблем применяются фильтры на входах и выходах цепей.

- третичный уровень подозревает полное экранирование и данный метод необыкновенно дорогостоящий по сравнению с предыдущими.

Заключение

Был выполнен эскизный проект многозондовой системы для формирования нанообъектов на подложке. Данный проект после анализа методом конечных элементов удовлетворил требованиям технического задания. Применение подобных систем позволит расширить или даже заменить традиционные методы обработки подложек и создания микросхем. Универсальность туннельной микролитографии позволяет выполнять большое количество технологических процессов с использованием одинакового оборудования. Это открывает огромные возможности для освоения технологических процессов менее 5 нм, хоть туннельная микроскопия может использоваться, в том числе для создания структур и при больших минимальных размерах элемента. При всех своих достоинствах проектирование и производство подобных систем требует меньших ресурсов в сравнении с современной литографией, требующей миллиардные вложения для освоения новых технологических процессов, а компактность положительно повлияет на возможность встраивать многозондовые системы в уже существующие производственные цепочки.

Прецизионность выполняемых операций превосходит традиционную литографию, однако необходимо работать над повторяемостью результатов сканирующей туннельной микроскопии, для чего предложено создать автоматизированную систему управления с возможностью анализа результатов исследования методами машинного зрения, сравнения с заложенными в программу шаблонами. Система, которая сможет самостоятельно принимать решения для продолжения исследования и технологического процесса, предупреждать об обнаружении дефекта на кристалле, своевременно требовать замену зондов и пьезоприводов, существенно повысит производительность сканирующей туннельной микроскопии.

Таким образом, разработка многозондовой системы для формирования нанообъектов на подложке является процессом, включающим много этапов. Недостаточно спроектировать лишь систему, необходим целый комплекс, включающий в себя как материальную составляющую, так и программное обеспечение.

Для успешного внедрения в состав существующих производственных цепочек недостаточно внедрить только многозондовую систему, необходимо так же синхронизировать работу управляющих программ и сделать их совместимыми в контексте производства для лучшего контроля за протеканием процесса, контроля отклонений от процесса и статистического анализа выхода годных изделий.

Список использованных источников

1. Васин В.А., Ивашов Е.Н., Кузнецов П.С., Слепцов В.В. Информационные технологии проектирования в микро- и наноинженерии: учебное пособие. В 3-х т. / Под общ. ред.: И.С. Кравчук. Т. 1. Ивантеевка МО : НИИ предельных технологий, 2014. 246 с.

2. Ветров В.А., Ивашов Е.Н., Федотов К.Д., Яговцев В.О. Методы оптимизации технических решений пьезоприводов // Вестник машиностроения (перевод). 2015. № 3. С. 3-10.

3. Гудвин Г.К., Гребе С.Ф., Сальгадо М.Э. Проектирование систем управления. М.: Бином, Лаборатория базовых знаний, 2004. 912 с.

4. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. М.: Машиностроение. 2003. 112 с.

5. Духанин Ю.А., Акулин Д.Ф. Техника безопасности и противопожарная техника в машиностроении. Учебное пособие для техникумов. Изд. 2-е, переработ, и доп., М.: "Машиностроение", 1973. 304 с.

6. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация: Пер. с англ. М.: Мир, 1986. 318 с.

7. Ивашов Е.Н., Федотов К.Д. Подсистема автоматизированного проектирования элементов пьезоэлектрических устройств // Вестник машиностроения. 2014. № 6. С. 30-36.

8. Икрин В.А. Сопротивление материалов с элементами теории упругости и пластичности: Учебник для студентов, обучающихся по направлению 653500 "Строительство". М: Изд. АСВ, 2004. 424 с.

9. Степанчиков С.В., Ивашов Е.Н. Теория механизмов и машин. Проектирование элементов и устройств технологических систем электронной техники. 2-е изд., пер. И доп. Учебник для бакалавриата и магистратуры / Под общ. Ред.: А.С. Сигов. М.: Юрайт, 2016. 369 с.

10. Уилльямс Т. ЭМС для разработчиков продукции. М.: Издательский дом "Технологии", 2003 г. 540 с.

11. Akin J. Ed. Finite element analysis concepts via SolidWorks. - Houston, Texas.: Rice University, 2009. 348 p.

12. Buzdugan G., Mihailescu E., Rades M. Vibration measurement. Springer Science+Business Media Dordrecht. 1986. 345 P.

13. Garcia R., Knoll A.W., Riedo E. Advanced scanning probe litography // Nature Nanotechnology. No. 9. 2014. 27 P.

14. Tseng A.A., Notargiacomo A., Chen T.P. Nanofabrication by scanning probe microscope lithography: A review. // American Vacuum Society, May/Jun 2005. P. 877-894.

15. Основные определения метода конечных элементов. URL: http://www.stroitmeh.ru/lect31.htm (дата обращения 31.03.2017).

16. Онлайн документация Solidworks. URL: http://help.solidworks.com/ (дата обращения 31.03.2017).

17. ООО Измеритель. URL: http://izmeri.ru/05.html (дата обращения 31.03.2017).

18. ЭкоСфера. Виброаккустика. URL: http://ekosf.ru/fizicheskie-faktory/vibroakustika (дата обращения 31.03.2017).

19. Mitutoyo. Краткое руководство по устройствам измерения вибраций. URL: http://www.mitutoyo.co.jp/eng/products/menu/QuickGuide_Vibration-Testing-Machines.pdf (дата обращения 31.03.2017).

20. Techno-NDT. Устройства неразрушающего контроля. URL: http://www.t-ndt.ru/index.php?id=64 (дата обращения 31.03.2017).

21. Techno-NDT. Устройства неразрушающего контроля. URL: http://www.t-ndt.ru/index.php?id=64 (дата обращения 31.03.2017).

22. Lion Precision. Виброметры. URL: http://www.lionprecision.com/micro-displacement-position-sensors.html (дата обращения 31.03.2017).

23. Delphin Technology. URL: http://www.delphin.com/vibration-measurement.html (дата обращения 31.03.2017).

24. Manfred Weber. URL: http://www.mmf.de/pc_data_acquisition.htm (дата обращения 31.03.2017).

25. IBS Precision. URL: http://www.ibspe.com/category/non-contact-measuring-systems.htm (дата обращения 31.03.2017).

26. EI-Calc. URL: http://www.ei-calc.com/ (дата обращения 31.03.2017).

27. Bruel & Kjaer. Брошюра. http://www.bksv.com/doc/br0094.pdf (дата обращения 31.03.2017).

Размещено на Allbest.ru