Применение физики высоких энергий в науке и технике

Радикалы H⁺ и OH^- образуются также при распаде возбуждённых молекул:

                                              H2O^*®H×+OH×.                                                                                 

Радикалы обладают повышенной реакционной способностью и вступают в реакциимежду собой, образуя молекулы H2, H2O2  и H2O, и в реакции с растворёнными в в воде веществами.     Свои особенности имеет воздействие ионизирующих частиц на полимеры. Первоначально происходят разрывы химических связей  между соседними атомами углерода и между углеродом и водородом. В первом случае образуются две более короткие полимерные цепочки, являющиеся радикалами. Радикалы подвергаются дальнейшим химическим изменениям до молекулярного состояния: в них образуются двойные связи, а в присутствии кислорода они окисляются в местах ненасыщенных связей.  В конечном счёте получаются продукты с более короткими цепями и такой процесс в целом называется деструкцией полимера. При отщеплении водорода также сначала образуется радикал, но с прежней длиной цепочки. Если два таких радикала оказываются по соседству, то между ними образуется насыщенная химическая связь и получается более сложная  макромолекула с мостиком  или ответвлением. Этот процесс называется сшиванием полимера. 
     Процессы ионизации и возбуждения в биологических системах дают начало биологическим эффектам. Возможно прямое повреждение биологически функциональных молекул, таких,  как молекулы ДНК, ферментов, клеточных мембран. Кроме того, свой вклад вносят продукты образовавшиеся из низкомолекулярных веществ,  в особенности из воды, так как эти продукты реагируют с биологически функциональными молекулами.

Энергия частиц первичного излучения промышленных ускорителей в десятки тысяч раз превышает энергию, необходимую для акта ионизации, т. е. нарушения одной химической связи. При прохождении в веществе первичные частицы передают энергию многочисленным  молекулам, вызывая возбуждение и ионизацию. Образовавшиеся в результате разрыва связей заряженные и незаряженные осколки молекул имеют высокую химическую активность и быстро реагируют друг с другом и с другими молекулами. Возникающие при этом новые активные частицы - свободные радикалы и вторичные ионы - вступают в реакцию, вследствие чего изменяется молекулярная структура материала и образуется вещество с новыми свойствами. Высокая химическая активность реагирующих частиц делает возможным проведение радиационно-химических реакций при очень низких температурах - вплоть до температуры жидкого гелия. Открывается возможность химически соединять несовместимые другими методами вещества, создавать прочные многослойные и композиционные материалы. Полное исключение химических инициаторов и катализаторов позволяет создавать материалы высокой степени чистоты.

Литография высокого разрешения на пучках синхротронного излучения.

Различают несколько видов  литографии: оптическая, ультрафиолетовая, электронно-лучевая, рентгеновская  и ионная.  Исторически наиболее развита и широко используется оптическая литография. Технология литографии применяется  прежде всего при производстве элементов  современных полупроводниковых  приборов (интегральные схемы, микропроцессоры  и др.) и заключается в том, что  со специально приготовленного фотошаблона  на подложку переносится изображение  рисунка Для этой операции традиционно использовались оптические ультрафиолетовые лампы или лазерные пучки. Литографический процесс создания необходимого рисунка на подложке в принципе аналогичен процессу фотографии.

        Рис.1. Схема установки для литографии. 1 – окно прозрачное для излучения в области 0,2 - 20 нм, 2 – камера для экспонирования, 3 – шаблон, 4 – юстировочный столик, 5 – фоторезист (плёнка оргстекла толщиной ~             Мкм), 6 – кристалл кремния, 7 – расстояние шаблон-резист. Элемент микросхемы представляет собой монокристалл кремния (6), на который предварительно нанесён слой окисла кремния SiO2, а на него – фоторезист (5). Эту «слойку» через шаблон (3), находящийся на расстоянии (2 – 5) мкм, освещает пучок излучения. В результате облучения в резисте формируется скрытое изображение, повторяющее рисунок шаблона. При проявлении резист образует негативное или позитивное рельефное защитное покрытие на поверхности обрабатываемой пластины, повторяющее рисунок шаблона. Далее происходит процесс травления в результате которого изображение переносится на кремниевую пластину. Оптическая литография известна уже более века и достигла высокого совершенства в полиграфии. Дальнейшее её развитие связано с потребностями электронной промышленности, где её методы развивались от производства печатных плат до изготовления больших интегральных схем. Для производства фотошаблонов главным образом применяется электронная литография на специальных электронных микроскопах - электронных литографах.

     Увеличение  степени интеграции элементов  микросхемы, надежности и быстродействия, создание современных супербольших интегральных схем (СБИС) стало возможным благодаря широкому использованию микролитографических процессов и разработке новых технологических методов и приемов, позволяющих воспроизводить в слоях резиста элементы топологии интегральных схем субмикронных размеров. Изображение на резисте используется в качестве маски при субтрактивном травлении (удалении) и нанесении слоев металлов, диэлектриков, а также при имплантации примесей в заданные  микрообласти полупроводниковой пластины при формировании структуры микроэлектронного прибора. При изготовлении СБИС приходится до 30 раз повторять операции формирования изображения и совмещения его с предыдущим слоем схемы.

     Развитие субмикронной  литографии стимулируется тем,  что стоимость 1 бит СБИС снижается  при уменьшении размеров элементов  и более плотном их размещении  на схеме. Трудовые и материальные  затраты при изготовлении схем  с 2,0 – и 0,5 –мкм элементами  примерно одинаковы. Однако с  уменьшением размеров элементов  схемы происходит их резкое  удорожание вследствие большой  стоимости сложных систем для  субмикронного экспонирования и  их низкой производительности, которая  в основном определяется временем экспонирования. Поэтому самой актуальной задачей становится разработка источников излучения с высокой яркостью, обеспечивающих высокую производительность литографического процесса.

     Наиболее перспективными  методами получения структур  с субмикронными размерами элементов  являются электронная, ионная  и рентгеновская литографии, поскольку  применение для этих целей  оптической литографии ограничивается  эффектами дифракции видимого  и ультрафиолетового излучения  на субмикронных структурах применяемых  шаблонов.

     Основными  преимуществами рентгеновской литографии являются:

Высокая производительность, связанная с высокой яркостью современных источников. Кроме того, методом рентгеновской литографии осуществляется процесс параллельного  переноса изображения шаблона на резист, в то время как электронная и ионная литографии представляют собой процессы последовательного вычерчивания на резисте изображения элементов топологии сфокусированным электронным или ионным пучком. Это также повышает производительность оборудования при рентгеновской технологии.

Наилучшее разрешение, связанное  как с малой длиной волны рентгеновского излучения вследствие чего проявление дифракционных эффектов существенно  подавлено так и с незначительным числом вторичных электронов, вызывающих размытие краев изображения.  При использовании существующих резистов и рентгеновских источников пластины Æ100 мм. полностью могут быть проэкспонированы за 1 минуту с разрешением < (0,1 - 0,2) мкм.

Возможность трехмерной рентгеновской литографии, так как рентгеновское излучение обладает большой глубиной проникновения и относительно слабо рассеивается в материале пластины.

Большая радиационная стойкость  шаблона. Исследования фирмы IBM показали, что с одного шаблона можно получить десятки тысяч отображений. Это связано с меньшими лучевыми нагрузками на шаблон, чем при электронном или ионном облучении.

Кроме того, поскольку рентгеновские лучи практически не поглощаются загрязнениями, состоящими из компонентов с малым атомным номером, то наличие загрязнений на шаблоне при рентгеновской литографии не приводит к возникновению дефектов рисунка на резисте.

Литература.

1. В.Н. Забаев  Применение ускорителей в промышленности.
2. А.Н. Лебедев Основы физики и техники ускорителей.
3. Л.Л. Гольдин Физика ускорителей.