CC BY
87
УДК 533.924
А. В. Голованов1'2, В. С. Бормашов2, А. П. Волков2, С. А. Тарелкин2, С. Г. Буга?,
В. Д. Бланк2
1 Московский физико-технический институт (государственный университет)
2 Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
Реактивное ионное травление поверхности синтетического алмаза
Осуществлено реактивное ионное травление синтетической поликристаллической алмазной плёнки и синтетических монокристаллов алмаза в плазмах на основе Аг, 02, их смесей и SF^. В плазмах та основе смеси Аг/02 и та основе SFg достигнуты соответственно скорости травления 6 нм/мин и 70 нм/мин и селективности к алюминию 10 и
2
ликристаллической алмазной плёнки, так и монокристаллического алмаза. Травление плазмой на основе SF6 привела к увеличению шероховатости поверхности монокристалла алмаза и перепылению алюминиевой маски.
Ключевые слова: реактивное ионное травление, синтетический монокристалл алмаза, поликристаллическая алмазная плёнка, постмеханическая полировка, атомно-силовая микроскопия, электронная микроскопия.
1. Введение
Алмаз является одним из лучших материалов для видимой, ИК- и рентгеновской оптики. Он подходит для создания микролинз и дифракционных решеток для видимого и ИК-света благодаря прозрачности в широком диапазоне длин волн [1]. На основе алмаза возможно изготовление собирающих линз для рентгеновского излучения с низким поглощением [2] и брэгговских зеркал с коэффициентом отражения рентгеновского излучения, близким к 100% [3]. Рентгеновская оптика предъявляет высокие требования как к степени кристаллического совершенства, так и к качеству поверхности алмазных оптических элементов.
При синтезе алмаза осаждением из газовой фазы (CVD-процесс) на монокристаллические алмазные подложки растущая алмазная пленка наследует дефекты подложки. Поэтому чрезвычайно важно обеспечивать высокую гладкость поверхности исходного монокристалла алмаза.
При создании элементов электроники на основе алмаза большое значение имеет эффективная площадь металлических контактов, которая напрямую зависит от качества алмазной поверхности [4]. Кроме того, возникает необходимость удаления поверхностного слоя толщиной от нанометров до микрометров с высокой точностью. Механическая полировка, жидкостное травление и лазерная абляция не обеспечивают требуемой точности.
Эффективным методом полировки и создания рельефных структур на поверхности алмаза является плазмохимическая обработка. В настоящее время получили развитие следующие технологии: реактивное ионное травление (RIE) [5], реактивное травление ионным пучком (RIBE) [6] и плазменное травление с источником индуктивно связанной плазмы (ЮР) [7]. Большинство исследований посвящено обработке CVD-алмазных плёнок, выращенных на кремниевых подложках (поликристаллический алмаз) либо на подложках из природного алмаза с большим количеством ростовых дефектов и примесей. Оптические свойства таких элементов далеки от предельных, рассчитанных теоретически. Последние исследования [3] показали, что монокристаллы алмаза, выращенные методом температурного градиента под давлением, изготовленные в ФГБНУ ТИСНУМ, демонстрируют коэффициент отражения рентгеновского излучения 99% - практически равный теоретическому
пределу. Однако методы финальной обработки (постмеханической полировки) поверхности таких монокристаллов исследованы еще недостаточно подробно.
Нами было исследовано влияние газового состава плазмы при реактивном ионном травлении на скорость травления и качество полировки алмазной поверхности синтетических поликристаллических алмазных плёнок и монокристаллов.
2. Установка и условия эксперимента
Установка для реактивного ионного травления была создана на базе шлюза напыли-тельной системы AJA ORION. В камере шлюза находятся плоскопараллельные электроды, на которые подается постоянное смещение и ВЧ напряжение частотой 13,56 МГц мощностью до 50 Вт для плазменной чистки образцов. В камере имеются кварцевые лампы для нагрева образцов до 300 °C и три газовых магистрали с контроллерами потоков.
Площади электродов были уменьшены по сравнению с исходными, предусмотренными в установке: диаметр верхнего с 200 до 60 мм, диаметр нижнего электрода - с 120 мм до 20 мм, что повысило плотность мощности плазмы до значений, использующихся в промышленных установках реактивного ионного травления, а также увеличило напряжение смещения [8]. Расстояние между электродами регулируется в пределах от 5 до 45 мм. Также нижний электрод был оборудован термопарой для контроля температуры непосредственно вблизи образца. Температура 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 °C, в плазме на основе SF6 - 250-300 °C.
Поверхность алмазных образцов исследовалась методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и атомно-силовой зондовой микроскопии (АСМ).
3. Травление поликристаллической алмазной плёнки
Влияние газового состава плазмы на выравнивание алмазной поверхности изучалось на поликристаллической плёнке, выращенной методом CVD на подложке из кремния. На рис. 1 приведены РЭМ изображения исходной плёнки и изображения плёнки после реактивного ионного травления в плазме на основе чистого кислорода; на основе Аг и О2 с соотношением потоков 1 : 1 и после травления в плазме на основе Аг и О2 с соотношением потоков 3:1. Другие параметры процессов приведены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры травления поликристаллической алмазной плёнки
Состав по потоку Давление, Па Мощность ВЧ-источника, Вт Время обработки, ч
О2 6,67 20 2
АГ/02 1:1 4 20 5
Аг/02 3:1 6,67 20 5
Травление в плазме на основе кислорода привело к эрозии поверхности алмазных кристаллитов, составляющих пленку, однако форма кристаллитов практически не изменилась (рис. 16).
Травление в плазме Аг/02 с соотношением потоков 1 : 1 привело к сглаживанию поверхности алмазных кристаллитов и в то же время к образованию множественных дефектов по границам кристаллитов в области мелких дефектных микрокристаллов (рис. 1в). Кроме того, на гладких поверхностях кристаллитов также наблюдаются отдельные дефекты травления, возможно, связанные с наличием инородных частиц на их поверхности либо дефектами.
Рис. 1. Вид поверхности исходной иоликристапличоской алмазной плёнки (а) и поело травления в плазме на основе О2 (б); на основе Аг/02 с соотношением потоков 1 : 1 (в); в плазме на основе Аг/02 с соотношением потоков 3 : 1 (г)
Причиной сглаживания пленки может быть то, что реактивное ионное травление является комбинацией процессов химической эрозии поверхности под воздействием химически активных ионов и радикалов и физического распыления положительными ионами [9-10]. В результате распыления аморфного углерода ионами аргона реализовался процесс травления алмазной плёнки.
После травления в плазме Аг/02 с соотношением потоков 3:1-е преимущественной долей физического распыления поверхность алмазной плёнки приобрела вид (рис. 1г), характерный для распыления ионной бомбардировкой [11].
Также могло иметь место изменение размера и формы алмазных кристаллитов на пути к уменьшению свободной поверхностной энергии [12].
4. Травление синтетических монокристаллов алмаза
Для реактивного ионного травления монокристаллов алмаза и создания на поверхности травлением структур были взяты образцы, изготовленные в ФГБНУ ТИСНУМ методом роста при высоком давлении и температуре (НРНТ) с примесью бора (типа lib), поверхность которых была предварительно отполирована механически. Отклонение поверхностей от кристаллографической плоскости [001], определяемое рентгеноструктурным анализом, для всех образцов не превышало 5°.
Для создания структур на поверхности алмаза плазмохимическим травлением на эти поверхности предварительно наносились маски из алюминия методом магнетронного напыления. Была разработана методика измерения скорости травления по высоте ступеньки, получаемой на границе со стеклянной маской. Реактивное ионное травление монокристаллов алмаза с нанесёнными масками проводилось в плазмах на основе Аг/02 и на основе гексафторида серы (SFe). В табл. 2 сравниваются два процесса.
Селективность алюминия к алмазу в плазме SF6 ниже, чем в плазме на основе Аг/02. Это может объясняться тем, что стойкость оксида алюминия к физическому распылению в 5 раз выше, чем стойкость алюминия. Результаты статистической обработки АСМ - сканов поверхности до и после травления в течение 7 часов приведены в табл. 3. Использовались
2
Вт. Здесь Ra — среднее арифметическое отклонение от среднего значения высоты профиля поверхности на базе, Rrms — среднеквадратичное отклонение, Rpeak-to-peak ~ максималь-
34
ТРУДЫ МФТИ. - 2013. - Том 5, .Л» 1
ная высота профиля на базе.
Т а б л и ц а 2
Сравнение реактивного ионного травления синтетического монокристаллического алмаза в плазмах различного состава
Газовый состав плазмы Мощность В Ч-источника, Вт Давление, Па Скорость травления, нм/мин Селективность к алюминию
Аг/02 1:1 30 4 6 10
БРв 1:1 30 5,3 70 4
Т а б л и ц а 3
Результаты статистической обработки АСМ-сканов поверхности алмаза до и после реактивного ионного травления
База, мкм ИМ ^реак-Ьо-реак, НМ НМ
До После До После До После
1 0,6 0,2 3,5 1Д 2,6 1Д
10 1,2 1,0 6,5 6,0 4,6 3,7
100 2,5 2,3 35 32 15 И
Травление в плазме Аг/02 привело к сглаживанию мелких царапин, оставшихся после механической полировки и выравниванию поверхности монокристалла.
Рис. 2. Поверхность монокристалла алмаза после травления в плазме на основе БРб вблизи края маски (а) в сравнении с участком поверхности вдали от края маски (б)
Обработка плазмой на основе 8Рб привела к неровной поверхности вблизи границы маски (рис. 2а) и гладкой — вдали от неё (рис. 26).
Огрубление поверхности вблизи края маски может объясняться тем, что интенсивное физическое распыление тяжёлыми ионами, образующимися из молекулы 8Рб, приводит к перепылению материала маски, а распылённые частицы, оседая на алмазе, играют роль дополнительных масок. Другая возможная причина — релаксация и реконструкция образовавшейся алмазной поверхности, с которой к тому же взаимодействует присутствующий в плазме фтор [13-14].
5. Результаты и выводы
Исследовано реактивное ионное травление синтетических поликристаллических СУБ алмазных плёнок и синтетических монокристаллов алмаза в плазмах на основе кислорода, аргон-кислородной смеси и гексафторида серы с масками из алюминия.
соотношением потоков 1 : 1 привело к выравниванию поверхности как поликристаллической алмазной плёнки, так и монокристаллического алмаза.
Скорость травления в плазме на основе ЭРб (70 нм/мин) на порядок выше, чем в Аг/02 плазме (6 нм/мин), а селективность к алюминию в два раза ниже. Также происходит уменьшение гладкости поверхности алмаза вблизи края маски. Для увеличения селективности масок и избежания огрубления поверхности целесообразно производить реактивное ионное
б
оксид алюминия в качестве материала маски.
Работа выполнена в рамках госконтракта № 16.552.11.7014.
Литература
1. Karlsson М., Nikolajeff F. Diamond micro-optics: microlenses and antireflection structured surfaces for the infrared spectral region // Opt. Express. — 2003. — V. 11. — P. 502-507.
2. Nohammer В., David C., Rothuizen H. [et al.}. Deep reactive ion etching of silicon and diamond for the fabrication of planar refractive hard X-ray lenses // Microelectronic Engineering. - 2003. - V. 67-68. - P. 453-460.
3. Shvyd'ko Y., Stoupin S., Blank V., Terentyev S. Near 100% Bragg reflectivity of Х-ravs // Nat. Photon. - 2011. - V. 5. - P. 539-542.
4. Brezenau M., Butler Т., Rupesinghe N. [et al.}. Single Crystal Diamond M-i-P Diodes for Power Electronics 11 IET Circ. Dev. Svs. - 2007. - V. 1. X 5. - P. 380-386.
5. Sandhu G.S., Chu W.K. Reactive ion etching of diamond // Appl. Phvs. Lett. — 1989. — V. 55, N 5. - P. 437-438.
6. Kiyohara S., Mori K., Miyamoto I., Taniguchi J. Oxygen ion beam assisted etching of single crystal diamond chips using reactive oxygen gas //J. Mater. Sci. Mater. Electron. — 2001. _ у. 12. _ p. 477-481.
7. Lee C.L., Gu E., Dawson M.D. [et al.}. Etching and micro-optics fabrication in diamond using chlorine-based inductively-coupled plasma // Diam. k, Relat. Mat. — 2008. — V. 17, N 7-10. - P. 1292-1296.
8. Roth R.J. Industrial Plasma Engineering. V. 1. Principles. — Bristol: Institute of Physics Publishing, 1995.
9. Leech P.W., Reeves G.K., Holland A. Reactive ion etching of diamond in CF4, O2, 02 and Ar-based mixtures // J. Mat. Sci. - 2001. - V. 36, N 14. - P. 3453-3459.
10. Lim Y.D., Lee S.H., Yoo W.J. [et al.}. Roles of A and О Radicals and Positive Ions in a SF6/02 Plasma in Forming Deep Via Structures //J. Kor. Phvs. Soc. — 2009. — V. 54, N 5. - P. 1774-1778.
11. Распыление твёрдых тел ионной бомбардировкой. Вып. 2 / под ред. Р. Бериш. — М.: Мир, 1986.
12. Гегузин Л.Е., Овчаренко Н.И. Поверхностная энергия и процессы на поверхности твердых тел // УФН. - 1962. - Т. LXXVI, вып. 2. - С. 283-328.
13. Barnard A.S., Russo S.P., Snook I.К. Surface structure of cubic diamond nanowires // Surf. Sci. - 2003. - V. 538. - P. 204-210.
14. Skokov S., Carmer C. S., Weiner В., Frenklach M. Reconstruction of (100) diamond surfaces using molecular dynamics with combined quantum and empirical forces // Phvs. Rev. B. - 1994. - V. 49, N 8. - P. 5662-5671.
Поступим в редакцию 05.09.2012
