CC BY
14УДК 544.558, 533.924
В.С. Бормашов, А.В. Голованов, А.П. Волков, С.А. Тарелкин, С.Г. Буга, В.Д. Бланк
ФОРМИРОВАНИЕ РЕЛЬЕФНЫХ СТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ МОНОКРИСТАЛЛОВ СИНТЕТИЧЕСКОГО АЛМАЗА МЕТОДОМ РЕАКТИВНОГО ИОННОГО ТРАВЛЕНИЯ
(Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов, Московский физико-технический институт) e-mail: anton.golovanov2012@gmail.com
Методом лазерной литографии и реактивного ионного травления на поверхности монокристаллов синтетического алмаза получены рельефные структуры высотой до 2 мкм. Определены скорости и селективности травления к алюминию и хрому в плазмах различного газового состава. Наибольшая скорость реактивного ионного травления (70 нм/мин) достигнута при использовании плазмы на основе гексафторида серы, при этом наибольшая селективность травления (14) наблюдалась к хрому.
Ключевые слова: реактивное ионное травление, синтетический алмаз, лазерная литография
ВВЕДЕНИЕ
Синтетические монокристаллы алмаза с высокой степенью совершенства кристаллической структуры находят применение в различных высокотехнологичных областях, в частности, в рентгеновской оптике [1] и электронике [2, 3]. Важной задачей в технологии изготовления приборов на основе алмаза является подготовка его поверхности [4].
Реактивное ионное травление может применяться для постмеханической полировки и сглаживания алмазной поверхности [5], так как снимает приповерхностный слой, поврежденный полировкой. В настоящее время для создания рельефных структур на поверхности алмазных монокристаллов и пленок применяется реактивное ионное травление с источником емкостно-связанной плазмы [6], индуктивно-связанной плазмы [7], плазмы электрон-циклотронного резонанса [8]. Применение простых механических масок приводит к геометрическим искажениям требуемых структур на поверхности алмаза, создаваемых плазмохимическим травлением. Поэтому оптимально использование контактных металлических масок, изготовляемых напылением металлических пленок с последующим процессом фотолитографии и химического травления. С целью отработки методик создания структур на поверхности синтетического монокристаллического алмаза нами были проведены следующие исследования: подбор материала масок для реактивного ионного травления, исследование влияния газового состава плазмы на скорость и селективность травления, применение метода взрывной литографии.
МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
Монокристаллы алмаза типа IIb и IIa были выращены в ФГБНУ ТИСНУМ методом температурного градиента на затравке при высоком давлении и температуре (НРНТ) [9, 10]. Затем методом лазерной резки из них были вырезаны тонкие пластины прямоугольной формы. Они были отполированы механически. Отклонение поверхностей от кристаллографической плоскости (001), определяемое рентгеноструктурным анализом, для всех образцов не превышало 5°.
Нанесение металлических пленок на поверхность образцов производилось магнетронным осаждением на установке AJA ORION 8.
Лазерная литография осуществлялась на установке Heidelberg ^PG 101.
Система реактивного ионного травления с источником емкостно-связанной плазмы была создана на основе камеры предварительной плазменной чистки поверхности системы магнетрон-ного осаждения AJA ORION 8. В камере находятся плоскопараллельные электроды, на которые подается ВЧ напряжение частотой 13,56 МГц мощностью до 50 Вт. Диаметр верхнего электрода 60 мм, нижнего - 20 мм. Расстояние между электродами 15 мм. В камере имеются кварцевые лампы для нагрева образцов до 300°С и три газовых магистрали с контроллерами потоков. Нижний электрод оборудован термопарой для контроля температуры непосредственно вблизи экспериментального образца.
Реактивное ионное травление соединяет физическое распыление материала подложки положительными ионами и химическую эрозию при взаимодействии с активными радикалами. Для травления такого прочного материала, как алмаз,
выбирались режимы с максимальной интенсивностью распыления. Из газов, используемых в кремниевой технологии, был выбран SF6 как дающий самые тяжелые ионы.
Рельеф поверхности образцов исследовался в растровом электронном микроскопе.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Контактные маски для травления формировались методом стандартной литографии, включающей жидкостное травление металлической пленки через маску из фоторезиста, и взрывной литографии. Алюминиевая маска вскрывалась проявителем для фоторезиста AZ726MIF (на основе гидроксида тетраметиламмония), а хромовая - специализированным травителем CR-7.
Далее образцы с нанесенными масками подвергались реактивному ионному травлению. Параметры травления представлены в таблице.
После плазмохимического травления остатки масок химически удалялась.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В таблице приведены данные о параметрах реактивного ионного травления: мощности ВЧ источника напряжения, давлении, достигнутых скоростях и селективностях.
Смещение потенциала, ускоряющее ионы, устанавливалось в зависимости от мощности ВЧ источника, газового состава, давления в реакторе.
Таблица 1
Параметры реактивного ионного травления синтетического алмаза, скорости и селективности травления Table 1. Reactive ion etching parameters, rates and se-lectivities
Примечание: N - мощность ВЧ источника плазмы, P -давление в камере, t - время травления, VTp - скорость травления, U - ускоряющее напряжение, S - селективность травления к материалу маски
Note: N - RF power supply, P - pressure, U - accelerating voltage, t - etching time, Vetch - etching rate, S - selectivity to mask material
Температура подложки устанавливалась в процессе травления и определялась параметрами
плазмы, прежде всего энергией ионов. В процессе травления в плазме на основе аргона, кислорода и их смесей с различной концентрацией температура подложки устанавливалась в пределах 150-200°С, в плазме на основе гексафторида серы -250-300°С.
РЭМ изображения алмазной поверхности после травления в плазме с масками из алюминия и хрома, сформированными стандартной литографией, представлены, соответственно, на рис. 1 и 2. По высоте ступеньки на границе маски определялась скорость травления. РЭМ изображение поверхности образца после травления с маской из хрома, сформированной по методу взрывной литографии, представлено на рис. 3.
Рис. 1. РЭМ изображение алмазной поверхности после травления в плазме на основе SF6/O2 1:1 в течение 85 мин с маской из алюминия Fig. 1 SEM image of the diamond surface after 85 min. of etching in SF6/O2 (1:1) based plasma with aluminum mask
Рис. 2. РЭМ изображение алмазной поверхности после травления в плазме на основе SF6/O2 20:1 в течение 45 мин с маской из хрома
Fig. 2. SEM image of the diamond surface after 45 min. of etching in SF6/O2 (20:1) based plasma with chromium mask
Газовый состав плазмы N, Вт P, Па U, В t, мин Утр, нм/мин Маска S
Är/Ü2 1:1 30 4 220 420 6 Al 10
SF6 30 5,3 170 30 70 Al 4
SF6/Ü2 1:1 20 5,7 110 85 12 Al >4
SF6/Ü2 20:1 20 5,7 120 45 8,2 Cr 14
SF6/Ü2 20:1 30 4 140 60 >35 Cr 14
Рис. 3. РЭМ изображение алмазной поверхности после травления в плазме на основе SF6/O2 20: 1 в течение 60 мин с маской из хрома, сформированной по методу взрывной литографии
Fig. 3. SEM image of the diamond surface after 60 min. of etching in SF6/O2 (20:1) based plasma with chromium mask formed by explosive lithography
С помощью лазерной литографии и реактивного ионного травления на монокристаллах синтетического алмаза получены рельефные структуры высотой до 1,5 мкм. Из рис. 1 и 2 видно, что после стандартной литографии продукты жидкостного травления металлов остались на открытой поверхности алмаза и послужили микромасками для ионов плазмы. Кроме того, маски из алюминия не дали резкой границы травления. Методика взрывной литографии с маской из хрома дает как ровную поверхность алмаза после травления, так и вертикальную границу получаемых структур. Видимые на рис. 3 неровности поверхности алмаза, защищенной металлической маской (верхняя часть изображения), возможно, обусловлены полным протравливанием маски в плазме.
Анализ процессов, происходящих в плазме SF6 [11], позволяет сделать вывод о том, что физическое распыление осуществляется, в основном, ионами SF5 , а химическое травление поверхности - с участием атомарного фтора, образуемого при диссоциации
SF6 + e ^ SF6 + F + e (1)
Наличие небольшого количества кислорода в плазме SF6, в соответствии с [12] увеличивает концентрацию F из-за реакций с нейтральными осколками молекулы SF6
SF5 + O ^ SOF4 + F, (2)
уменьшая тем самым долю физического механизма травления в пользу химического. Это приводит
к уменьшению скорости травления и выглаживанию алмазной поверхности.
Также кислород, возможно, улучшает отвод распыляемого углерода от алмазной поверхности, окисляя его.
ВЫВОДЫ
Наибольшая скорость реактивного ионного травления (70 нм/мин) достигается при использовании плазмы на основе гексафторида серы, при этом наибольшая селективность травления (14) наблюдается к хрому.
Использование взрывной литографии и хрома в качестве металлической маски при плаз-мохимическом травлении позволяет получать гладкую поверхность в области травления алмаза и рельефные структуры с вертикальной границей.
Работа выполнена в рамках госконтракта № 16.552.11.7014.
ЛИТЕРАТУРА
1. Shvyd'ko Y., Stoupin S., Blank V., Terentyev S. // Nat. Photon. 2011. V. 5. P. 539-542.
2. Blank V.D., Buga S.G., Terentiev S.A., Kuznetsov M.S., Nosukhin S.A., Krechetov A.V., Kulbachinskii V.A., Kytin V.G.,Kytin G.A. // Phys. Sat. Sol. (b). 2007. V. 244. P. 413417.
3. Буга С.Г., Бланк В.Д., Терентьев С.А., Кузнецов М.С.,Носухин С.А., Кульбачинский В.А., Кречетов А.В., Кытин В.Г., Кытин Г.А. // ЖЭТФ. 2007. Т. 131.
C. 662-667;
Buga S.G., Blank V.D., Terentiev S.A., Kuznetsov M.S., Nosukhin S.A., Kulbachinskiy V.A., Krechetov A.V., Kytin V.G., Kytin G.A. // JETP. 2007. V. 131. P. 662-667 (in Russian).
4. Friel I., Clewes S.L., Dhillon H.K., Perkins N., Twitchen
D.J., Scarsbrook G.A. // Diam.&Relat. Mat. 2009. V. 18. P. 808-815.
5. Бормашов В.С., Волков А.П., Голованов А.В., Тарел-кин С.А., Буга С.Г., Бланк В.Д. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2012. Т. 55. Вып. 6. С. 71-73; Bormashov V.S., Volkov A.P., Golovanov A.V., Tarelkin S.A., Buga S.G., Blank V.D. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2012. V. 55. N 6. С. 71-73 (in Russian).
6. Ando Y., Nishibayashi Y., Kobashi K., Hirao T., Oura K. // Diam.&Relat. Mat. 2002. V. 11. P. 824-827.
7. Lee C.L., Gu E., Dawson M.D., Friel I., Scarsbrook G.A. // Diam.&Relat. Mat. 2008. V. 17. N 7-10. P. 1292-1296.
8. Tran D.T., Grotjohn T.A., Reinhard D.K., Asmussen J. // Diam.&Relat. Mat. 2008. V. 17. P. 717-721.
9. Wentorf RH. // J. Chem. Phys. 1971. V. 75. P. 1833-1837.
10. Blank V.D., Kuznetsov M.S., Nosukhin S.A., Terentiev S.A., Denisov V.N. // Diam.&Relat. Mat. 2007. V. 16. P. 800-804.
11. Kokkoris G., Panagiotopoulos A., Goodyear A., Cooke M., Gogolides E. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2009. V. 42. N 5. P. 055209.
12. Knizikevicius R. // Acta Phys. Pol. A. 2010. V. 117. N 3. P. 478-483.
