Диссертация (Процессы формирования газовых кластерных ионов и их взаимодействия с поверхностью), страница 13

Полученныеугловые распределения объяснены с точки зрения предложенноймодели. Впервыеполученыугловыераспределенияраспыленноговещества в случае распыления многокомпонентных мишенейкластерными ионами. Показана нестехиометричность состававещества,распыленногоподразличнымиугламивылета.Обнаружено, что элементы мишени, имеющие наибольшуюатомную массу, вылетают под большими углами.98Глава 5. Сглаживание рельефа поверхности при облучениикластерными ионами5.1 Постановка задачи.Проблема сглаживания рельефа поверхности пучками кластерных ионовзатрагивается в большом количестве оригинальных работ и обзоров. Неостается сомнений в эффективности использования кластерных ионов длявысокоточной шлифовки поверхности материалов с самыми разнымимеханическими и электрическими свойствами.

Как показано в обзорелитературы,существуютполупроводниковданныепростогоипосложногопланаризациисостава,металлов,диэлектриков,сверхпроводников и магнитных материалов. Планаризованные с помощьюгазовых кластерных ионов материалы уже используются при производствемикросхем, в оптических приборах видимого и рентгеновского диапазонов,для уменьшения пробойного напряжения в трактах ускорителей частиц.Вместе с тем, в литературе отсутствуют систематические исследованияпроцесса планаризации.

Такие исследования должны включать изучение ивыбор оптимальных для выравнивания поверхности данного материаларазмеров кластеров, их энергии и дозы. В случае планаризации диэлектриковне изучено влияние зарядки поверхности, возникающей при облучениинепроводящей мишени ионами.Такимобразом,вданнойработенеобходимоисследоватьпринципиальную возможность сглаживания рельефа различных материалов состаточной средней шероховатостью не более 1 нм.

В качестве исследуемыхматериалов были выбраны поликристаллические металлы простого состава(Cu, W) и сложного состава (NiMoRe, NiPd), полупроводники (Si, Ge),диэлектрики (алмаз, ситалл), а также элементы структуры микросхемы. Такойвыбор позволяет оценить влияние на процесс сглаживания электрическихсвойств мишени, ее состава, твердости, а также имеющегося упорядоченногорельефа в случае облучения элементов микросхемы.995.2 Методика эксперимента.Мишени облучались кластерами аргона при энергии 10 кэВ. Облучениепроводилось в импульсном режиме, продолжительность импульса токакластерных ионов на мишень составляла 200 мс при коэффициентезаполнения 0,25. Масс-спектр кластерных ионов, получаемых послепрохождения ускоряющего электрода, соответствует рис.

2.11. Ионы сразмерами менее 80 атомов/заряд отклонялись от мишени с помощьюпостоянного магнита, установленного перед коллимирующей системой. Дозаоблучения определялась по интегратору тока, подключенному к мишени. Приэтом существование многозарядных ионов не учитывалось, то есть реальноеколичество упавших на поверхность частиц меньше, чем приведенныезначения.

Остаточное давление в камере составляло 2·10-6 Торр.При облучении диэлектрических мишеней вблизи обрабатываемойплощади для компенсации зарядки поверхности располагался катод извольфрамовой проволоки. Электроны, эмитируемые при напряжении 3 В итоке 0,2 А, полностью компенсировали ток пучка кластерных ионов намишени.Температурамишениконтролироваласьполупроводниковымдатчиком температуры и не превышала комнатную более чем на 10 градусовпри облучении и работе катода.Образцы были вырезаны в виде шайб диаметром 10 мм и толщиной от0,3 до 2 мм.

Перед облучением поверхность подвергалась механическойшлифовке и очистке в органических растворителях. Рельеф поверхности до ипосле обработки наблюдался с помощью атомно-силовых микроскопов NTMDT в полуконтактном режиме. В качестве основного параметра оценкиэффективности сглаживания использовалось среднеквадратичное отклонениеот средней плоскости (Rq или RMS), определяемое как:=1( )100где yi - отсчет высоты в каждой из N точек поверхности.Кроме того, для наблюдения рельефа поверхности использовалсясканирующий электронный микроскоп Tescan LYRA.5.3 Результаты и обсуждение.Атомно-силовоеизображениеполикристаллическоймедипередобработкой кластерными ионами показано на рис 4.6 слева. Видна царапина,оставленная частицами абразива при механической шлифовке.

Глубина такихцарапин составляла 10-20 нм при ширине около 100 нм. Значение RMS,определенное по данным атомно-силовой микроскопии, равнялось 6,78 нм.После обработки кластерными ионами аргона с энергией 10 кэВ дозой1,8·1017 см-2 (рис. 6.4 справа) царапины исчезли полностью. Остаточныйрельеф однородный, со значением RMS 0,86 нм. Таким образом, в результатеоблучения средняя шероховатость меди уменьшилась на порядок.Поверхность вольфрама после механической шлифовки и послеобработки кластерными ионами изображена на рис.

5.1. Доза облучениясоставила 3,6·1017 см-2, значение RMS перед облучением составляло 7,65 нм.Царапины, оставленные абразивом, на изображении поверхностипослеоблучения отсутствуют. Средняя шероховатость уменьшилась до значения4,49 нм. Меньшая по сравнению с медью эффективность сглаживанияобъясняется значительным различием энергий связи атома на поверхностиэтих материалов: 3,49 для меди и 8,66 для вольфрама. Большое значениеэнергии связи для вольфрама приводит к уменьшению коэффициентараспыления и к уменьшению подвижности атомов на поверхности. Оба этихфактора, в свою очередь, означают снижение эффективности сглаживанияповерхности. Для уменьшения величины остаточного рельефа в данномслучае необходимо увеличить дозу облучения.

Кроме того, изменениеразмеров и энергии кластеров приведет к изменению коэффициентараспыления, а следовательно и эффективности сглаживания при той же дозе101кластеров. Также к изменению характеристик распыления за счет измененияпередачи энергии от кластера к мишени приведет выбор рабочего газа сдругой молярной массой.Изображения поверхности сплава NiMoRe (86:10,5:13,5) показаны нарис. 4.10. Доза облучения равнялась 3,6·1017 см-2.

Как и в случае мишенейпростого состава, царапины, появившиеся послу механической обработки,исчезли после облучения кластерами. Рельеф поверхности после облученияоднородный, с амплитудой около 3 нм. Облучение кластерными ионами непривело к образованию на поверхности структур, которые могли быразвиться из-за неоднородностей, вызванных возможным селективнымраспылением. Таким образом, кластерными ионами аргона с энергией 10 кэВвозможно сглаживание рельефа, оставшегося после механической шлифовкиметаллов и сплавов с различными механическими характеристиками.Рис.

5.1. АСМ изображения поверхности вольфрама до и после облучения кластернымиионами.На рис. 5.2. приведено изображение поверхности кремния с низкимкачеством полировки до и после облучения кластерными ионами с дозой2·1016 см-2. Поскольку исследование поверхности со значительныминеровностямиспомощьюатомно-силовоймикроскопиизатруднено,102изображение получено в сканирующем электронном микроскопе и непозволяет определить числовые характеристики рельефа. Тем не менее,хорошовидно,чтодажеотносительнонебольшаядозаоблучениякластерными ионами привела к удалению острых выступов.

Рельеф в целомвыглядит более гладким.Рис. 5.2. РЭМ изображения поверхности кремния до и после облучения кластернымиионами.В качестве второго полупроводникового материала для исследованиябыл выбран монокристаллический германий. Он более мягкий по сравнениюс кремнием, энергия связи атома на поверхности германия составляет 3,85 эВ(4,63 эВ у кремния). Германий подвергался механической шлифовке,образовавшиеся царапины имели ширину около 100 нм и глубину около20 нм (рис. 5.3).

Доза облучения равнялась 3·1016 см-2. После облучениякластерными ионами царапины на поверхности исчезли полностью.Амплитуда высоты остаточного рельефа составляет 2 нм.При бомбардировке ионами часть поверхности мишени была закрыталезвием. Граница облученной области показана на рис. 5.3 внизу.

В область вправой части скана кластеры не попадали, рельеф поверхности этой частиостался без изменений. Левая часть изображения соответствует области103распыленного вещества. Царапины, имеющиеся в правой части изображения,в левой части отсутствуют. Одиночные выступы в левой части вызваны,вероятно, загрязнениями, внесенными лезвием.Рис. 5.3. Сверху: АСМ изображения поверхности германия до и после облучениякластерными ионами.

Размер скана 1 мкм, амплитуда высоты 20 нм и 2,5 нм,соответственно. Внизу: АСМ изображение границы облученной области германия.Кроме металлов и полупроводников, изначально не имеющих наповерхности упорядоченной структуры, бомбардировке кластерными ионами104была подвергнута часть микросхемы. На ее поверхности существовал наборвыступов высотой 40 нм и шириной около 1 мкм, рис. 5.4, сверху. Как видноиз рисунка, после облучения кластерами с дозой 2,5·1016 см-1 выступы«размылись», их высота уменьшилась до 20 нм.

Данные распределениявысоты поверхности на АСМ изображениях до и после облучения приведенына рис. 5.4 внизу. В обоих случаев в распределении можно выделить узкийвысокий пик, соответствующий поверхности вокруг выступов, и низкийширокий пик, соответствующий выступам. Положение первого пика послеоблучения сдвинулось от значения 5,69 нм до значения 3,09 нм приуменьшении его ширины, что означает сглаживание поверхности вокругвыступов. Положение второго пика также сдвинулось от значения 20,6 нм дозначения 10,4 нм.

Следовательно, высота выступов также уменьшилась.Рис. 5.4. Сверху: АСМ изображения элемента поверхности микросхемы до и послеоблучения кластерными ионами. Внизу: распределение высоты рельефа до и послеоблучения.105Наиболее твердым из известных веществ является алмаз. Он с трудомподдается механической полировке.

Поэтому представляет интерес проверкавозможности обработки алмаза пучком кластерных ионов.Первоначально облучению подвергался нешлифованный природныйалмаз. На рис. 5.5 , сверху показана граница облученной области на РЭМизображении. Правая часть изображения соответствует необлученномуалмазу, левая – облученному. Видно, что бомбардировка кластерными ионамипозволила удалить загрязнения.