Диссертация (1150372), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Установление механизма распыления непроводящих проб в КПКУстановление механизма распыления непроводящих проб в КПК имеет большоезначение для реализации их эффективного распыления и последующего анализа.В принципе, использование короткого импульсного разряда позволяет в какой-то мереизбежать накопления поверхностного заряда на поверхности такой пробы, посколькуэлектроны из распадающейся после импульса плазмы компенсируют этот заряд [182]. Различиемежду проводящими и непроводящими пробами в случае DC PGD в КПК определяетсяразличием в распределении поля вблизи поверхности пробы. Если проба имеет поверхностноесопротивление R не более 105 Ом, то ее поверхность успевает достичь потенциала стеноккатода во время импульса, и процессы распыления таких проб становятся близки к процессамраспыления проводников.Действительно, время достижения равновесного потенциала наповерхности пробы = RC = 1 мкс при емкости С = 10 пФ.
Если же поверхностноесопротивление превышает 105 Ом, то поле у поверхности пробы и, как следствие, энергияионов и их поток на поверхность пробы, а значит и скорость распыления существенноуменьшаются. Как видно из предыдущей главы, в DC PGD в КПК может быть реализованораспыление проб с поверзнрстным сопротивлением и более 105 Ом.
Измерения поверхностногосопротивления на поверхности кратера после распыления показали значительное его снижение.Т.е в процессе распыления пробы происходит увеличение проводимости поверхности(образование проводящего слоя), которое и обусловливает эффективное распыление такихпроб.В настоящей работе проверяется гипотеза распыления при помощи образованияпроводящего поверхностного слоя, исследуется его толщина и состав и выясняетсяпроисхождение этого слоя.
При этом помимо предположения о формировании слоянапыленногоматериалакатода,обсуждаемоговработахпоВК[171–176,184]иподтвержденного Уэйном [185], проверяется также вариант образования «особого слоя»,обогащенного менее летучим компонентом, который в ряде случаев оказывается проводящим(например, для оксида алюминия — алюминием, нитрида галлия - галлием). Указанныеспособы образования проводящего поверхностного слоя иллюстрирует Рисунок 6.Принципиальную возможность второго механизма можно увидеть в работе [22], гденаблюдался частный случай такого обогащения — восстановление оксидной формы металла доэлементной в ходе распыления в тлеющем разряде. В настоящей работе проводитсяисследование природы поверхностного слоя, его состава как по поверхности, так и по глубине(включая определение форм нахождения элементов), толщины и ее зависимости от материалавспомогательного катода, параметров разряда и времени распыления.66Рисунок 6.
Механизм формирования проводящего поверхностного слоя в КПК на примересапфира (Al2O3) с TaКПК.Используемые методыПроведено исследование механизма распыления полупроводниковых и диэлектрическихпроб в КПК как в RF GD, так и в DC PGD. Для этого поверхности кратеров, полученных врезультате распыления в тлеющем разряде в КПК (использовали GDA-650 и Люмас-30) приразличных условиях, исследовались следующими методами.1) С помощью оптического эмиссионного спектрометра (GDA-750, Spectruma AnalytikGmbH, Germany) с детектирующей системой из фотоумножителей проводили профилированиеисследуемой поверхности кратера по глубине, и получали, таким образом, информацию обэлементном составе и эффективной толщине поверхностного слоя.
Разрядной ячейкой служиластандартная ячейка Гримма (см. Рисунок 2 (а)) с анодом меньшего диаметра (2,5 мм).Измерения проводились в Leibniz Institute for Solid State and Materials Research (IFW) вДрездене, Германия.2) Поверхность кратера исследовалась с помощью сканирующих электронныхмикроскопов (SEM) высокого разрешения Gemini 1530 (Zeiss, Germany) с ЭДС спектрометромдля элементного анализа с кремниевым (Si(Li)) детектором и системой обработки данныхQUANTAX (Bruker AXS) и Merlin (Zeiss, Germany) с колонной электронной оптики GEMINI IIи ЭДС спектрометром INCAx-act (Oxford Instruments, UK). В первом случае измерения67проводились в Leibniz Institute for Solid State and Materials Research (IFW) в Дрездене, Германия.Во втором случае – в междисциплинарном ресурсном центре СПбГУ по направлению«Нанотехнологии».
Исследовалось поверхностное распределение напыленного материалавспомогательного катода (его равномерность).3)Несколькократеров,полученныхприраспыленииполупроводниковыхидиэлектрических проб в DC PGD в КПК, исследовались с помощью рентгеновскихфотоэлектронных спектрометров PHI 5600 CI (Physical Electronics) и Escalab 250Xi (ThermoFisher Scientific). В первом случае измерения проводились в Leibniz Institute for Solid State andMaterials Research (IFW) в Дрездене, Германия.
Во втором случае – в ресурсном центре СПбГУ«Физические методы исследования поверхности». Регистрировали спектры поверхности ипрофили, получаемые при травлении ионным пучком 3.5 keV Ar+. В этом случае помимоэлементного состава получали информацию о химической форме нахождения элемента(элементная или оксидная).Рассмотрим первый метод более подробно. Исследуемая проба распылялась в КПК(GDA-650) при разных параметрах разряда, временах распыления и с разными материаламикатодов. Далее проводили послойный анализ центральных частей полученных кратеров спомощью GDA-750. Использование фотоумножителей в данном случае необходимо дляполученияхорошегоразрешенияпоглубине,посколькупредполагаемаятолщинаповерхностного слоя всего несколько нм.
Диаметр исследуемого кратера определяетсявнутренним диаметром КПК и составляет 4 мм. В связи с этим для исследования поверхностикратера использовали анод, диаметром 2,5 мм, которому соответствует такая же по размерамисследуемая область (см. Рисунок 7).Рисунок 7. Поверхность кратера после измерения толщины слоя с помощью GDOES с 2,5 мманодом.Масса поверхностного слоя определялась известным методом, основанном напропорциональности интегральной интенсивности (по времени распыления) спектральнойлинии материала слоя и массы этого слоя [60,186]. Коэффициент пропорциональностиопределяется скоростью распыления и эмиссионным выходом линии. Для определения68коэффициента пропорциональности (для градуировки) использовали многослойную структуру10*Cu(100 нм)/NiCr(100 нм) для Cu КПК и, в отсутствие подобных образцов, металлическиепластины из высокочистого алюминия и тантала, для Al КПК и Ta КПК соответственно.
Впоследних случаях толщину определяли измерением глубины кратера. Зная таким образомобщую распыленную массу поверхностного слоя, его эффективную толщину определяли какмассу, деленную на площадь и плотность. Следует отметить, что в этом случае определяетсяэффективная толщина слоя, вычисленная из предположения, что поверхностный слойполностьюсостоитизматериалавспомогательногокатода,чтонесоответствуетдействительности. Описанная процедура измерений толщины проиллюстрирована на Рисунке8, где представлен профиль напыленного слоя Ta на сапфире (а) и профиль распыленияпластинки Ta (глубина кратера определена на профилометре)(б).Рисунок 8.
Определение толщины поверхностного слоя Ta на сапфире с помощью GDOES. а) –профиль поверхности центральной части кратера, полученного распылением сапфира в GDOESс TaКПК, б) профиль распыления пластины Ta на глубину 2000 нм (определена с помощьюпрофилометра).Процедура градуировки должна проводиться в тех же условиях распыления, что ианализ. Однако материалы, используемые для калибровки, отличаются от исследуемыхобразцов, поэтому условия распыления подбирались таким образом, чтобы получитьодинаковый по величине сигнал аргона в условиях одинакового давления. Поскольку различиеусловий распыления главным образом обусловлено различием проводимости пробы иматериала, используемого для градуировки, меньшая разница в проводимости будет даватьболее точную оценку толщины слоя.
С другой стороны, точность оценки определяется также ировностью поверхности. По этим причинам, исследования толщины поверхностного слояпроводили преимущественно по пробам кремния, который обладал наиболее ровнойповерхностью и наименьшим сопротивлением.Результаты исследованийВ результате исследований проб Si, SiC, GaN, SiO2, Al2O3 обнаружено, что прииспользовании импульсного тлеющего разряда в КПК распыление как полупроводниковых, так69и диэлектрических проб протекает весьма эффективно.
Как показано в настоящей работе, этосвязано с формированием проводящего слоя на поверхности пробы, который и обеспечивает еедальнейшее распыление. С помощью РФЭС исследований центральных частей поверхностикратеров, сформированных в ходе распыления диэлектрических проб в DC PGD в TaКПК,установлено, что проводящий поверхностный слой образуется как за счет напыления материалавспомогательного катода, так и за счет «обогащения» компонентом с меньшим коэффициентомраспыления.
Это подтверждается полученными спектрами РФЭС центральных частей кратерадля проб сапфира (Рисунок 9) и кварца (Рисунок 10), где помимо слоя напыленного материалавспомогательного катода (Ta), обнаружено присутствие элементных форм алюминия и кремниясоответственно.а)б)в)г)Рисунок 9. РФЭС спектры центральной части кратера, полученного при распылении сапфира вимпульсном тлеющем разряде с TaКПК (4кГц, 10 мкс, 770 Па, 700 В): a) сигнал Al2p, исходнаяповерхность кратера, б) сигнал Ta4f, исходная поверхность кратера; в) сигнал Al2p на глубине 2нм (травление ионным пучком); г) сигнал Ta4f на глубине 2 нм (травление ионным пучком).На Рисунке 9 представлены результаты РФЭС исследований поверхностного слоясистемы Al2O3 - TaКПК.
Проводилось сканирование двух поверхностей: исходной поверхностикратера (центральной части, поскольку по периметру характерно напыление довольно толстогослоя материала катода в виде тонкого кольца) и поверхности, полученной после стравливания 2нм с помощью ионного пучка. Приведены спектры алюминия (компонент пробы) и тантала(материал КПК). Верхние спектры (Рисунок 9 (а, б)) относятся к исходной поверхности,нижние (Рисунок 9 (в, г)) — к глубине 2 нм. Как видно, на исходной поверхности помимопиков оксидов Ta2O5 и Al2O3 и металлического Ta, присутствует небольшой сигналметаллического Al в виде «плеча» на пике Al2O3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
