Лабораторная работа № 2 Моделирование системы ионного травления с ионным источником и ионно-оптической системой. 29

Кафедра «Микроэлектроника»

В.К.Сырчин

Лабораторный практикум

по курсу «Математическое моделирование процессов
и устройств»

по направлению 210100 «Электроника и наноэлектроника»

профиль 210107.65 «Электронное машиностроение»

Москва - 2011

Оглавление

Лабораторная работа № 1 Моделирование внутрикамерного устройства для
процесса нанесения пленок с кольцеобразным источником материала. 4

1.1 Теоретические сведения. 4

1.1.1 Общие сведения о моделируемом объекте. 4

1.1.2. Постановка задачи. 7

1.1.3. Построение геометрической модели. 9

1.1.4. Математическая модель процесса осаждения пленки. 11

1.2 Лабораторное задание. 19

1.2.1 Техническое оснащение. 20

1.3 Методика выполнения работы.. 20

1.3.1 Требования к отчету. 22

1.3.2 Инструкция по работе с программой «MAGNA». 23

1.3.3 Контрольные вопросы.. 28

Лабораторная работа № 2 Моделирование системы ионного травления с ионным источником и ионно-оптической системой. 29

2.1 Теоретические сведения. 29

2.1.1 Общие сведения. 29

2.1.2 Постановка задачи. 31

2.2 Моделирование системы травления. 32

2.2.1 Конструктивная схема системы обработки. 32

2.2.2 Геометрическая модель ИОС.. 32

2.2.3 Классификация параметров ИОС.. 35

2.2.4 Математическая модель ИОС.. 35

2.3 Лабораторное задание. 39

2.3.1 Техническое оснащение. 39

2.4 Методика выполнения работы.. 39

2.4.1 Требования к отчету. 42

2.4.2 Инструкция по работе с программой «IOS». 42

2.4.3 Контрольные вопросы.. 44

Лабораторная работа № 3 Моделирование шлюзовых систем вакуумного оборудования 46

3.1 Теоретические сведения. 46

3.1.1 Общие сведения. 46

3.1.2 Постановка задачи. 47

3.3 Лабораторное задание. 56

3.3.1 Техническое оснащение. 57

3.4 Методика выполнения работы.. 57

3.5 Требования к отчету. 60

3.6 Инструкция по работе с программами. 60

3.6.1 Инструкция по работе с программой “VACUUM”. 60

3.6.2 Инструкция по работе с программой “SHLUZ”. 63

3.7 Варианты заданий при работе с программами “VACUUM” и “SHLUZ”. 70

3.8 Контрольные вопросы.. 70

Лабораторная работа № 4 Факторное моделирование процессов обработки и плазмообразования в вакуумно-плазменном оборудовании. 72

4.1 Теоретические сведения. 72

4.1.1 Этапы факторного моделирования. 73

4.1.2 Выбор структуры полиномиальной модели. 74

4.1.3 Выбор структуры полиномиальной модели. 75

4.1.4 Формирование матрицы планирования. 77

4.2 Лабораторное задание. 79

4.2.1 Техническое оснащение. 79

4.3 Методика выполнения работы.. 79

4.5 Требования к отчету. 85

4.6 Инструкция по работе с программой. 86

4.7 Примеры вариантов заданий. 88

4.8 Контрольные вопросы.. 90

Лабораторная работа № 5 Моделирование технологической линии с помощью
Е-сетей. 91

5.1 Теоретические сведения. 91

5.1.1 Общая характеристика модифицированных Е-сетей. 91

5.1.2 Правила функционирования элементарных сетей. 94

5.2 Выбор объекта моделирования. 98

5.3 Описание структуры модели. 104

5.4 Методика моделирования. 105

5.5 Порядок работы с программой. 107

5.6 Лабораторное задание. 110

5.7 Контрольные вопросы.. 111

 

Лабораторная работа № 1
Моделирование внутрикамерного устройства для процесса нанесения пленок с кольцеобразным источником материала

Цель работы: 1) освоить методику моделирования оборудования для нанесения пленок материалов в вакууме по критерию равномерности по толщине; 2) провести оптимизацию конструкции осесимметричного стационарного внутрикамерного устройства с магнетронной распылительной системой (МРС) с помощью компьютерной программы «MAGNA».

Продолжительность работы – 7 ч.

Теоретические сведения

Постановка задачи

Для проектирования внутрикамерных устройств УВН с МРС необходимо создать модели для расчета и оптимизации их конструктивных и технологических параметров. Основными этапами моделирования являются:

- выявление параметров, характеризующих конструкцию моделируемой системы и технологический процесс, реализуемый с помощью данной системы;

- построение геометрической модели проектируемого объекта;

- классификация параметров и определение взаимосвязи между ними на основе геометрической модели и физики процесса;

- построение математической модели, определяющей аналитические зависимости между параметрами, и выбор критериев оптимизации;

- разработка алгоритмов для реализации модели и составление пакета прикладных программ расчета и оптимизации конструктивно-технологических параметров по выбранным критериям;

- реализация проектируемой системы с помощью разработанного пакета прикладных программ в виде комплекта документации.

Задача оптимизации конструкции внутрикамерного устройства будет заключаться в выборе формы и размеров распыляемой поверхности и области локализованной плазмы, а также положения обрабатываемой пластины относительно распыляемой поверхности, при которых достигается максимальная (или заданная) равномерность осаждаемой на пластине пленки по толщине.

Более простыми для моделирования и в то же время широко применяемыми для практических целей являются внутрикамерные осесимметричные системы с кольцеобразными источниками материала, представляющие собой тела вращения.

Для создания полной модели внутрикамерного устройства и процесса осаждения пленки необходимо учитывать следующие факторы:

- эмиссионную характеристику распыляемой поверхности, характеризующую угловое распределение в пространстве распыленных атомов с каждой элементарной площадки;

- кинетику процесса переноса распыленных частиц в пространстве между распыляемой поверхностью и пластиной (поверхностью конденсации) в среде разреженного рабочего газа;

- условия конденсации распыленных атомов в заданной области поверхности пластины;

- форму и размеры распыляемой поверхности, определяемые геометрическими параметрами мишени и магнитной системы;

- условия локализации плазмы, определяемые параметрами магнитной системы и мишени и определяющие, в свою очередь, распределение плотности ионного тока по зоне распыления на мишени, характеризующего скорость эмиссии распыленных атомов с участков поверхности мишени;

- параметры разряда (напряжение, ток), определяющие энергию и плотность частиц, а следовательно, скорость распыления и осаждения атомов материала мишени;

- тип распыляемого материала и рабочего газа и др.

Наиболее сложным для моделирования является учет условий конденсации на пластине, зависящих от физико-химического состояния и температуры поверхности конденсации на пластине. В частности, учет миграции и отражения от поверхности конденсирующихся атомов представляет собой сложную аналитическую задачу, не имеющую адекватного решения. Не менее сложную задачу представляет расчет и моделирование магнитной системы, определяющей условия локализации плазмы, поскольку отсутствует методика расчета как сложных магнитных систем с приемлемой точностью, так и параметров плазмы в неоднородных скрещенных электрическом и магнитном полях. Поэтому учет вышеотмеченных факторов может быть осуществлен на основе эмпирических данных при введении ряда допущений, не нарушающих в целом адекватности модели.

Техническое оснащение

Для выполнения работы необходим компьютер с установленной программой «MAGNA». Занятия проводятся в компьютерном классе МИЭТ. Специальных требований к оснащению компьютера не предъявляется, дополнительного прикладного программного обеспечения не требуется.

Методика выполнения работы

Рекомендуется следующий порядок выполнения работы:

1. Лабораторное занятие делится на два этапа:

─ проработка математической модели системы нанесения пленок магнетронным распылением по изученной на лекции методике моделирования технических систем на основе теоретического материала по данной теме в рамках аудиторного занятия;

─ проведение расчета и оптимизации конструктивно-технологических параметров внутрикамерного устройства по трем критериям (равномерности пленки по толщине, производительности системы и коэффициенту использования материала мишени) с использованием компьютерной программы «MAGNA» в компьютерном классе.

2. Проработка математической модели в аудитории включает следующие мероприятия:

─ контрольный опрос студентов на знание методики моделирования технических систем (излагается на лекции и представлена дополнительно в электронном модуле для самостоятельной работы студентов);

─ проработка математической модели системы нанесения пленок магнетронным распылением на основе знаний об объекте моделирования из ранее изученного курса «Вакуумно-плазменные процессы и оборудование» и теоретического материала данной разработки.

3. Проведение расчета и оптимизации конструктивно-технологических параметров внутрикамерного устройства в компьютерном классе с использованием компьютерной программы «MAGNA» состоит из следующих этапов:

─ контрольный опрос студентов на знание проработанной в рамках аудиторного занятия математической модели (фактически допуск к работе за компьютером; студенты, не прошедшие тестирование на знание материала, к выполнению работы не допускаются);

─ получение варианта задания на разработку;

─ знакомство с программой «MAGNA»;

─ проведение моделирования системы по полученному варианту задания.

4. Этап моделирования системы (выполнение задания) осуществляется в следующей последовательности:

─ провести расчет параметров исходной конструкции внутрикамерного устройства в соответствии с заданием (пример варианта задания приведен в табл. 1.2) и оценить предложенную конструкцию по трем критериям: равномерности пленки по толщине, производительности системы (скорости осаждения пленки) и коэффициенту использования материала мишени;

─ провести оптимизацию исходной конструкции внутрикамерного устройства по одному из параметров в соответствии с заданием (см. пример варианта задания, пункт «первый параметр оптимизации») и оценить полученную конструкцию по тем же трем критериям;

─ провести оптимизацию исходной конструкции внутрикамерного устройства одновременно по двум параметрам в соответствии с заданием (см. пример варианта задания, пункт «второй параметр оптимизации») и оценить полученную конструкцию по тем же трем критериям;

─ при отсутствии положительного результата (невыполнении критериев на заданном уровне) провести оптимизацию одновременно по трем параметрам и оценить полученную конструкцию по тем же трем критериям;

─ сделать выводы о результатах моделирования и возможности проектирования предложенной конструкции внутрикамерного устройства; при отрицательном результате предложить пути совершенствования конструктивной схемы внутрикамерного устройства для достижения критериев эффективности системы.

Таблица 1.2. – Пример варианта задания.

ВАРИАНТ № 1 Угол конусности мишени g, град Средний радиус мишени мм Среднее расстояние мишень-подложка , мм Ширина зоны распыления на мишени l, мм Распыляемый материал Максимальная плотность ионного тока ji, А/см^2 Радиус подложки RП, мм Параметры оптимизации: 1-й параметр – угол конусности мишени g граница диапазона 2-й параметр – средний радиус мишени граница диапазона

AL 0,1     -10

5. Сдать работу преподавателю:

─ показать в отчете результаты моделирования с оценкой системы по каждому из критериев и отметить вариант конструкции, наиболее удовлетворяющий предъявляемым требованиям;

─ при возникновении вопросов по итогам моделирования подтвердить их, продемонстрировав преподавателю результаты на экране дисплея;

─ обосновать целесообразность или нецелесообразность проектирования моделируемой системы; предложить пути совершенствования конструктивной схемы внутрикамерного устройства для достижения критериев эффективности системы.

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

- краткие теоретические сведения о моделируемом объекте;

- математическую модель объекта, изложенную в последовательности, соответствующей методике моделирования;

- результаты моделирования;

- выводы по результатам исследований о целесообразности проектирования моделируемой конструкции или путях совершенствования конструктивной схемы внутрикамерного устройства для достижения заданных критериев эффективности.

Теоретические сведения

Общие сведения

Формирование потоков ионов в процессе ионно-лучевого травления осуществляется с помощью ионных источников (ИИ), основными узлами которых являются разрядная камера с системой электродов, формирующей плазму разряда в парах рабочего вещества или газа, и ионно-оптическая система (ИОС), формирующая ионный пучок с требуемыми характеристиками.

ИОС (чаще всего многоапертурная) предназначена для одновременной экстракции ионов с границы плазмы, первичной фокусировки ионного потока большого диаметра, состоящего из множества отдельных ионных пучков, формирования каждого пучка в отдельности, фокусировки ионного потока в целом, а также для ускорения ионов до энергий 100-2000 эВ. При этом должны быть обеспечены минимальные потери мощности в источниках питания и минимальная эрозия сеток ИОС при длительной эксплуатации ИИ. Обычно ИОС представляет собой блок из двух (реже трех) металлических или графитовых сеток с отверстиями одинакового диаметра, число которых определяет количество отдельных ионных пучков в потоке.

На выходе ионного потока из ИОС необходима нейтрализация его объемного заряда, наличие которого вызывает расфокусировку и плохую коллимацию ионного пучка, что существенно снижает качество и эффективность травления микроструктур. Кроме того, появление на поверхности диэлектрика положительного заряда практически не позволяет использовать ИИ с ионными пучками большого диаметра для травления диэлектриков и даже металлов в том случае, если энергия ионов менее 1 кэВ. Для нейтрализации обычно применяют специальный инжектор электронов. При этом полной рекомбинации электронов и ионов, 'как правило, не происходит, а обеспечивается лишь компенсация заряда в ионном пучке. Наиболее простым методом получения нейтрализующих электронов служит использование внешних термоионных (обычно вольфрамовых) эмиттеров, погруженных непосредственно в ионный поток или окружающих его.

Одной из существенных особенностей применения ИИ с многоапертурной ИОС является необходимость поддерживать значительный перепад давлений между разрядной (р ~ 10^-1 Па) и рабочей (p ~ 10^-2–2×10^-3 Па) камерами. Низкое давление в рабочей камере необходимо для того, чтобы снизить потери в ионном потоке и устранить возможность расфокусировки пучков. Кроме того, при этом снижается вероятность загрязнения обрабатываемых микроструктур остаточными газами.

При построении математической модели необходимо определить основные функции ИОС и конструктивно-технологические параметры системы обработки, влияющие на формирование ионного пучка, а также определить взаимосвязь между ними.

Основными функциями ИОС являются:

- отбор (экстрактация) ионов с границы плазмы;

- фокусировка и формирование многопучкового ионного потока;

- обеспечение высокой плотности и равномерности потока ионов по его сечению;

- ускорение ионов до заданной энергии;

- обеспечение минимальных потерь ионов на конструктивных элементах и минимальной эрозии электродов ИОС.

Наиболее важными требованиями, являются высокая плотность ионного потока, поскольку она определяет скорость травления, т.е. производительность процесса, а также равномерность плотности потока по сечению, так как она определяет равномерность обработки поверхности пластины. Необходимость равномерной обработки пластин большого диаметра (до 200 мм и более) потребовала от разработчиков создания ионных источников, формирующих пучки большого сечения с высокой равномерностью плотности потока (1-5%).

Постановка задачи

Задача оптимизации конструкции ИОС заключается в выборе формы, размеров и взаимного положения как самих электродов ИОС, так и отверстий в перфорированных электродах, при которых обеспечивается максимальная плотность ионного тока на обрабатываемой поверхности и высокая равномерность ее распределения по всей площади обработки при сохранении необходимой механической прочности сеточных электродов (отсутствии деформации и разрушения).

Интенсивность ионного потока и равномерность его по сечению определяются многими факторами, основными из которых являются:

- интенсивность и равномерность плазмы в разрядной области ИИ, определяемые как типом и геометрией разрядной системы, так и рабочими параметрами: напряжением и током разряда, рабочим давлением и типом газа, формой и индукцией магнитного поля и др.;

- тип и геометрия ИОС, формирующей ионный поток;

- величина потенциалов на электродах ИОС;

- давление в области обработки и расстояние от пластины до ИИ и др.

Первая группа параметров определяет конструкцию и рабочие характеристики разрядной системы ИИ, формирующей область плазмы определенной интенсивности с конкретным распределением плотности заряженных частиц. Проектирование ИОС сводится к выбору таких ее геометрических и рабочих параметров, при которых из плазмы осуществляется эффективный отбор ионов и формирование ионного потока максимально возможной интенсивности и равномерности с заданным энергетическим спектром.

Математическая модель должна позволять производить расчет и оптимизацию конструктивно-технологических параметров ИОС по критерию максимальной плотности и равномерности ионного пучка при известной для конкретного ИИ функции распределения ионов в плазме его разрядной камеры.

Геометрическая модель ИОС

В общем случае поток ионов, формируемый многоапертурной ИОС, можно представить как суперпозицию множества пучков, выходящих из отверстий электродов. Тогда равномерность плотности потока ионов на обрабатываемой поверхности будет обеспечена, если полный ионный ток в каждом из единичных пучков и их сечения в плоскости обработки будут одинаковыми.

Формирование единичного ионного пучка элементарной ячейкой ИОС можно представить следующим образом (рис. 2.2).ИОС состоит из двух электродов: экранной сетки с отверстиями радиуса r₁ и ускоряющей сетки с отверстиями радиуса r₂. Экранная сетка обычно находится под положительным потенциалом, приблизительно равным потенциалу плазмы, и формирует границу плазмы на выходе ИИ, а к ускоряющей сетке прикладывают высокий отрицательный потенциал по отношению к экранной сетке.

Рис. 2.2.

Под воздействием отрицательного потенциала ускоряющей сетки поверхность плазмы приобретает сферическую форму. Ячейку в этом случае можно представить как сферический конденсатор, одной из обкладок которого является поверхность плазмы, имеющая радиус кривизны R₁, а другой - потенциальная поверхность апертуры ускоряющей сетки, имеющая радиус кривизны R₂. После прохождения апертуры ускоряющей сетки ионный пучок будет иметь угол расходимости 2 Q. Геометрическим параметром системы будет также расстояние между сетками d.

ИОС можно представить как набор элементарных ячеек (рис. 2.2.), размещенных с постоянным шагом, но имеющих геометрические параметры (r₁, r₂, d), изменяющиеся в соответствии с законом распределения плотности ионов в разрядной камере ИИ таким образом, чтобы для каждой ячейки сохранялись постоянными ионный ток и сечение пучка в области обработки. В общем случае отверстия для симметричных систем удобно размешать по концентрическим окружностям, при этом необходимо стремиться к тому, чтобы суммарная площадь отверстий была максимально возможной, т.е. сетка должна обладать высокой "прозрачностью" для потока экстрагируемых ионов. С одной стороны, это обеспечивает высокую плотность сформированного ионного пучка, а с другой - уменьшает распыление сеток, которое может привести к их разрушению, а также к загрязнению обрабатываемой поверхности материалом сеток. Однако ограничивающим "прозрачность" сеток фактором является их механическая прочность, исключающая их деформацию и разрушение при монтаже и эксплуатации, которая зависит от используемых материалов, толщины сеток и размера перемычек между соседними отверстиями.

Тогда геометрическая модель ИОС будет иметь вид, представленный, на рис. 2.3. В результате моделирования профиль ускоряющей сетки будет иметь форму, отличную от плоской и зависящую от реальной функции распределения ионов на границе плазмы в ИИ. Постоянная площадь сечения пучков в плоскости обработки пластины характеризуется радиусом R_П, расстояние между пучками выбирается постоянным и равно DR (шаг размещения отверстий). Задается также расстояние до обрабатываемой поверхности L.

Рис. 2.3.

Используя построенную геометрическую модель и аналитические зависимости, отражающие физику процессов, можно получить математическую модель, связывающую геометрические и технологические параметры моделируемой ИОС при работе в составе ИИ с известной функцией распределения ионов на границе плазмы n(R). Перед построением модели необходимо классифицировать параметры, влияющие на работу ИОС.

Математическая модель ИОС

При получении модели будем считать, что процесс травления осуществляется при низком давлении и при отсутствии внешних полей, поэтому можно не учитывать их влияние на формируемый пучок ионов. Сделаем также предположение, что необходимая равномерность обработки пластины обеспечивается без взаимного перекрытия пучков на ее поверхности, т.е. DR=2R _П, а распределение плотности тока ионов по сечению каждого из пучков равномерное. При выводе формул воспользуемся геометрическими моделями рис. 2.2 и 2.3.

При заданной функции распределения ионов в плазме ИИ плотность тока вычисляется по формуле

, (2.1)

где j(R) - плотность тока в заданной точке, мА/см²; e – заряд, Кл; k – постоянная Больцмана; T _e - температура электронов, К; m – масса иона, кг; М - массовое число рабочего газа.

Полный ток пучка определяется как произведение его плотности на площадь отверстия в первой сетке:

, (2.2)

а плотность тока на обрабатываемой поверхности будет равна

. (2.3)

Угол расходимости пучка определяется по формуле

. (2.4)

Для ячейки, представленной на рис. 2.2, максимальное значение ионного тока обеспечивается при следующем соотношении параметров:

, (2.5)

где f - значение табулированной функции, зависящее от отношения радиусов кривизна сферического конденсатора C=R₁/R₂ (см. табл. 2.1); m - масса электрона, кг; Mi - масса иона, кг; U - ускоряющее напряжение, В.

Из формулы (2.5) определяется значение f, затем из табл. 3.1 находится соответствующее ему число С, по которому рассчитываются значения R ₁и R ₂:

(2.6)

Таблица 2.1. - Значения табулированной функции отношения R₁/R₂.

C	f	C	f	C	F
		2,35	1,274	5,4	9,318
1,025	0,0007	2,4	1,358	5,5	9,664
1,05	0,0024	2,45	1,444	5,6	10,014
1,075	0,0054	2,5	1,531	5,7	10,368
1,1	0,0095	2,55	1,62	5,8	10,727
1,125	0,0148	2,6	1,712	5,9	11,091
1,15	0,0213	2,65	1,805		11,46
1,175	0,0287	2,7	1,902	6,2	12,207
1,2	0,0372	2,75	1,999	6,4	12,969
1,225	0,0466	2,8	2,098	6,6	13,747
1,25	0,0571	2,85	2,199	6,8	14,54
1,275	0,0685	2,9	2,302		15,35
1,3	0,0809	2,95	2,406	7,2	16,175
1,325	0,0942		2,512	7,4	17,015
1,35	0,1084	3,05	2,62	7,6	17,87
1,375	0,1237	3,1	2,73	7,8	18,738
1,4	0,1398	3,15	2,841		19,62
1,425	0,1565	3,2	2,954	8,2	20,518
1,45	0,174	3,25	3,069	8,4	21,43
1,475	0,1925	3,3	3,185	8,6	22,357
1,5	0,2118	3,35	3,302	8,8	23,298
1,525	0,2318	3,4	3,421		24,25
1,55	0,2526	3,45	3,542	9,2	25,215
1,575	0,2743	3,5	3,664	9,4	26,192
1,6	0,2968	3,55	3,788	9,6	27,181
1,625	0,32	3,6	3,913	9,8	28,18
1,65	0,344	3,65	4,04		29,19
1,675	0,3687	3,7	4,168		34,44
1,7	0,394	3,75	4,298		39,98
1,725	0,42	3,8	4,429		45,79
1,75	0,4467	3,85	4,561		51,86
1,775	0,474	3,9	4,695		58,19
1,8	0,502	3,95	4,831		64,74
1,825	0,531		4,968		71,54
1,85	0,5605	4,1	5,246		78,56
1,875	0,5905	4,2	5,529		85,81
1,9	0,6215	4,3	5,814		93,31
1,925	0,653	4,4	6,108		133,5
1,95	0,6848	4,5	6,407		178,2
1,975	0,7171	4,6	6,712		227,1
	0,75	4,7	7,022		279,6
2,05	0,818	4,8	7,336
2,1	0,888	4,9	7,653
2,15	0,961		7,976
2,2	1,036	5,1	8,304
2,25	1,113	5,2	8,638
2,3	1,192	5,3	8,976

После этого определяется размер отверстия во второй сетке и расстояние между сетками:

(2.7)

Таким образом, рассчитана центральная ячейка ИОС. Для расчета параметров следующей группы соседних ячеек делается шаг DR и по формуле (2.1) определяется j(R) для новой точки. Радиус нового отверстия в первой сетке из условий постоянства тока каждого пучка определяется по формуле

, (2.8)

Подставляя это значение в формулу (2.4) вместо r₁, определим угол расходимости пучка в новой ячейке, а затем по формулам (2.5)-(2.7) – все остальные параметры данной ячейки. Так последовательно идет расчет параметров ИОС до значения R=R _c.

В качестве ограничения вводится минимальный размер перемычки между отверстиями, при котором еще сохраняется механическая прочность сеток. С этой целью после каждого очередного шага DR идет проверка по формуле

. (2.9)

При невыполнении этого условия корректируется шаг или начальное значение размера отверстия в первой сетке, В результате проведения нескольких циклов расчета при различных DR и их анализе выбирается минимальное значение DR, при котором однако сохраняется механическая прочность сеток, т.е. на всей их поверхности выполняется условие (2.9).

Представленная математическая модель учитывает взаимосвязи между основными параметрами ИОС и параметрами плазмы ИИ, что позволяет на ее основе разработать методику для проектирования двухсеточных ИОС, обеспечивающих максимальную плотность и равномерность ионных пучков большого диаметра.

 

2.3 Лабораторное задание

1. В соответствии с изученной методикой моделирования технических систем проработать математическую модель системы травления материалов ионным источником с пучком большого сечения и ионно-оптической системой, используя теоретический материал по данной теме.

2. Получить вариант задания и, используя компьютерную программу «IOS», провести расчет и оптимизацию конструктивно-технологических параметров ИОС для ИИ с заданной функцией распределении плазмы по трем критериям: равномерности травления, производительности системы и механической прочности конструкции.

Техническое оснащение

Для выполнения работы необходим компьютер с установленной программой «IOS». Занятия проводятся в компьютерном классе МИЭТ. Специальных требований к оснащению компьютера не предъявляется, дополнительного прикладного программного обеспечения не требуется.

Методика выполнения работы

Рекомендуется следующий порядок выполнения работы:

1. Лабораторное занятие делится на два этапа:

─ проработка математической модели системы травления с ионным пучком большого диаметра по изученной на лекции методике моделирования технических систем на основе теоретического материала по данной теме в рамках аудиторного занятия;

─ проведение расчета и оптимизации конструктивно-технологических параметров ИОС по трем критериям (равномерности травления, производительности системы и сохранению механической прочности) с использованием компьютерной программы «IOS» в компьютерном классе.

2. Проработка математической модели в аудитории включает следующие мероприятия:

─ контрольный опрос студентов на знание методики моделирования технических систем (излагается на лекции и представлена дополнительно в электронном модуле для самостоятельной работы студентов);

─ проработка математической модели системы травления на основе знаний об объекте моделирования из ранее изученного курса «Вакуумно-плазменные процессы и оборудование» и теоретического материала данной разработки.

3. Проведение расчета и оптимизации ИОС в компьютерном классе с использованием компьютерной программы «IOS» состоит из следующих этапов:

─ контрольный опрос студентов на знание проработанной в рамках аудиторного занятия математической модели (фактически допуск к работе за компьютером; студенты, не прошедшие тестирование на знание материала, к выполнению работы не допускаются);

─ получение варианта задания на разработку;

─ знакомство с программой «IOS»;

─ проведение моделирования системы по полученному варианту задания с целью обеспечения трех критериев: равномерности травления (достигается путем обеспечения требуемой равномерности плотности ионного тока Dj_n по сечению каждого единичного пучка на обрабатываемой поверхности, зависящей от функции распределения плазмы n(R) и размеров отверстия в экранирующей сетке r₁); производительности (определяется максимальной плотностью ионного пучка на обрабатываемой поверхности j_n, зависящей от величины радиуса отверстия в экранирующей сетке r₁); жесткости сетки (задается размером минимальной перемычки между двумя соседними отверстиями δ и оптимальной величиной шага размещения отверстий DR_ОПТ).

4. Этап моделирования системы (выполнение задания) осуществляется в следующей последовательности:

4.1 В соответствии с постановкой задачи (см. п. 2.1.2) и анализом аналитических зависимостей полученной математической модели, задачей моделирования является подбор максимально возможной величины начального отверстия в экранирующей сетке r_1Н, при котором еще сохраняется требуемая равномерность травления и обеспечивается жесткость конструкции ИОС. Поэтому первая итерация заключается в выборе r_1Н и расчете соответствующих его значению параметров системы травления j_n, Dj_n, DR_ОПТ в следующей последовательности:

─ ввести исходные данных в соответствии с полученным заданием;

─ ввести размер начального отверстия r_1Н ( например, 0,5 мм ) и начальное значение шага размещения отверстий DR (должно быть не меньше диаметра начального отверстия2 r_1Н плюс размер перемычки δ, обеспечивающей жесткость сетки);

─ провести расчет параметров с проверкой на сохранение жесткости экранирующей сетки (о не сохранении жесткости информирует программа с указанием, на каком шаге произошла потеря жесткости);

─ подобрать оптимальный шаг DR_ОПТ с точностью до 0,1 мм, под которым понимается минимальное значение шага, при котором еще сохраняется механическая жесткость сетки;

─ зафиксировать полученные в результате расчета параметры системы в отчете.

4.2 Провести оптимизацию по достижению максимальной плотности ионного тока на обрабатываемой поверхности j_{n max}:

─ последовательно (например, через 0,5 мм) увеличивать значение r_1Н и повторять для него операции п. 4.1;

─ поиск оптимальной величины r_1Н (с точностью до 0,1 мм) закончить, если неравномерность травления превысит допустимую или величина j_{n max} начнет уменьшаться.

4.3 Полученный оптимальный вариант проанализировать на технологическую возможность его реализации, используя таблицу данных расчета и графическое изображение конструкции ИОС, и сделать выводы целесообразности разработки предложенной конструкции ИОС.

5 Сдать работу преподавателю:

─ показать в отчете результаты моделирования с оценкой системы по каждому из критериев и отметить вариант конструкции, наиболее удовлетворяющий предъявляемым требованиям;

─ при возникновении вопросов по итогам моделирования подтвердить их, продемонстрировав преподавателю результаты на экране дисплея;

─ обосновать целесообразность или нецелесообразность проектирования смоделированной системы.

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

- краткие теоретические сведения о моделируемом объекте;

- математическую модель объекта, изложенную в последовательности, соответствующей методике моделирования;

- результаты моделирования;

- выводы по результатам исследований о целесообразности проектирования моделируемой конструкции или путях совершенствования конструктивной схемы ИОС для достижения заданных критериев эффективности.

Список литературы

1. Сырчин В.К. САПР и моделирование технических систем. - М: МИЭТ, 1997.

2. Сырчин В.К. Расчет и оптимизация конструктивно-технологических параметров узлов и систем вакуумно-плазменного оборудования микроэлектроники. - М: МИЭТ, 1990.