CC BY
22УДК 533.924
В.С. Бормашов, А.П. Волков, А.В. Голованов, С.А. Тарелкин, С.Г. Буга, В.Д. Бланк
РЕАКТИВНОЕ ИОННОЕ ТРАВЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ СИНТЕТИЧЕСКОГО МОНОКРИСТАЛЛА АЛМАЗА В ПЛАЗМЕ
(Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов) e-mail: golovanovanton@rambler.ru
Исследовано влияние реактивного ионного травления в плазме Ar/O2 на синтетический HPHT монокристалл алмаза. Показано, что плазменная обработка может привести к сглаживанию поверхности алмаза. Было достигнуто уменьшение среднеквадратичной шероховатости с 4,6 до 3,7нм на базе 10мкм х 10мкм. Топография и профили поверхности исследовались с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) на различных пространственных масштабах.
Ключевые слова: реактивное ионное травление, синтетический алмаз, постмеханическая полировка, атомно-силовая микроскопия
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]. Углерод обладает низким атомным номером и служит для изготовления алмазных собирающих рентгеновских линз с низким поглощением [2]. Алмаз демонстрирует самый высокий коэффициент полного отражения, что дает возможность изготовления рентгеновских зеркал [3]. Рентгеновская оптика предъявляет высокие требования как к качеству поверхности алмазных оптических элементов, так и к степени кристаллического совершенства.
Наиболее подходящим методом для полировки и создания рельефных структур на поверхности алмаза является плазмохимическая обработка. В настоящее время получили развитие две технологии: реактивное ионное травление (RIE) [4] и плазменное травление с источником индуктивно связанной плазмы (ICP) [5].
Проблеме травления алмаза и изготовления различных элементов на его основе было уделено большое внимание [1-6]. Однако большинство исследований посвящено обработке пленочных алмазов полученных CVD-методом зачастую на кремниевых подложках (поликристаллический алмаз) либо на подложках из природного алмаза (большое количество ростовых дефектов и примесей). Оптические свойства таких элементов далеки от предельных, рассчитанных теоретически. HPHT алмазы, изготовленные в ФГБНУ ТИС-НУМ, демонстрируют коэффициент отражения рентгеновского излучения 99% от теоретического
предела [3]. Методы финальной обработки (постмеханической полировки) поверхности таких монокристаллов иссл едованы недостаточно подробно.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Установка реактивного ионного травления была создана на базе шлюза напылительной системы AJA ORION.
В работе исследовалось влияние реактивного ионного травления на шероховатость поверхности синтетического монокристалла алмаза.
Взаимодействие плазмы с поверхностью алмаза является комбинацией процессов физического распыления ионами нейтральных газов и химического травления [6]. Травление CVD алмазных пленок в плазме 02 приводило к эрозии алмазной поверхности и покрытию ее аморфным углеродом. Травление пленок в плазме Ar/02 с соотношением потоков Ar/02 1:1 приводило к их сглаживанию, но оставляло неалмазные дефекты. Травление пленок в плазме Ar/O2 с преобладающим физическим распылением (соотношением потоков Ar/02 3:1) приводило к устранению дефектов и замедлению сглаживания алмазной поверхности. Таким образом, было показано, что оптимальным по скорости травления и сглаживанию поверхности для монокристалла алмаза (без дефектов, характерных для CVD пленки) является режим с соотношением потоков Ar/02 1:1.
Для обработки были взяты HPHT монокристаллы алмаза типа IIb, поверхность которых была предварительно отполирована механически. Травление алмазов проводилось в плазме под давлением 4 Па, при температуре подложки 200°C, при потоках Ar и 02 10 см3/мин, мощности ВЧ -источника плазмы 30 Вт в течение 7 ч.
Топография и профили поверхности исследовались с помощью АСМ. Чаще всего для статистического описания поверхности используется среднеквадратичное отклонение высоты поверхности от среднего уровня (среднеквадратичная шероховатость, RMS). Однако в ходе АСМ эксперимента производится дискретное измерение функции рельефа на участке поверхности с ограниченным разрешением («база»). Параметр RMS несет информацию о шероховатости поверхности в масштабе от шага перемещения зонда микроскопа до размера кадра сканирования и, таким образом, становится масштабно-зависимым. Это было учтено в ходе исследования поверхности образцов.
Н, нм 4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
щ
0.0 0.2
0.4
1.0
1.2
1.4
0.6 0.8 L, мкм
Рис. 1. АСМ-изображение (а) и профиль (б) исходной поверхности монокристалла алмаза Fig. 1. AFM-image (a) and profile (б) of initial mono crystalline diamond surface
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты исследования топографии поверхности с помощью АСМ представлены на рис. 1 и 2 соответственно (а - топографическое изо-
бражение области 1x1 мкм, б - среднее на базе 1 мкм распределение высот вдоль диагонали АСМ-скана). Как видно из рисунков, плазменная обработка существенно уменьшает шероховатость поверхности монокристалла, сглаживая дефекты.
H, нм
I.2
0.8
0.4
0.0
0.0 0.2
0.4
1.0
1.2
1.4
0.6 0.8
L, мкм
Рис. 2. АСМ-изображение (а) и профиль (б) поверхности монокристалла алмаза после обработки плазмой Fig. 2. AFM-image (a) and profile (b) of plasma etched diamond surface
Таблица
Сравнение статистических параметров поверхности до и после травления на различных масштабах Table. Comparison of surface statistical parameters
База, мкм Среднее арифметическое отклонение от среднего значения высоты профиля на базе, Яа, нм Максимальная высота профиля на базе, ■^peak-to-peab нм Среднеквадратичная шероховатость, ^rms, нм
до после до после до после
1 0,6 0,2 3,5 1,1 2,6 1,1
10 1,2 1,0 6,5 6,0 4,6 3,7
100 2,5 2,3 35 32 15 11
б
б
В таблице для различных пространственных масштабов приведены основные статистические параметры поверхности алмаза до и после обработки в плазме.
Размер базы, на которой определяются статистические параметры поверхности, существенно влияет на эти величины. Это позволяет сделать вывод о том, что при плазмохимическом травлении преимущественно сглаживаются мелкие неровности.
ВЫВОДЫ
Было осуществлено реактивное ионное травление синтетического алмаза в плазме Аг/02. Поверхность алмаза анализировалась при помощи атомно-силовой микроскопии до и после обработки плазмой. Показано, что существуют режимы травления, приводящие к сглаживанию алмазной поверхности и к снижению среднеквадратичной шероховатости с 4,6 до 3,7 нм на базе 10x10 мкм. Показано, что шероховатость является масштаб-
но-зависимой величиной. Реактивное ионное травление может применяться для постмеханической полировки элементов рентгеновской и видимой оптики на основе синтетического алмаза.
Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации ГК № 16.552.11.7014 и ГК № 16.523.11.3002.
ЛИТЕРАТУРА
1. Karlsson M., Nikolajeff F. // Opt. Express. 2003. V. 11. P. 502-507.
2. Nohammer B., David C., Rothuizen H., Hoszowska J., Simionovic A. // Microelectron. Eng. 2003. V. 67-68. P. 453-460.
3. Shvyd'ko Y.V., Stoupin S., Cunsolo A., Said A.H., Huang X.
// Nat. Phys. 2010. V. 6. P. 196-199.
4. Sandhu G.S., Chu WK // Appl. Phys. Lett. 1989. V. 55. N 5. P. 437-438.
5. Lee C.L., Gu E., Dawson M.D., Friel I., Scarsbrook G.A.
// Diamond Relat. Mater. 2008. V. 17. N 7-10. P. 1292-1296.
6. Leech P.W., Reeves G.K., Holland A. // J. Mater. Sci. 2001. V. 36. N 14. P. 3453-3459.
