CC BY
123
УДК 538.9
ВЛИЯНИЕ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧНОЙ ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКИ АРГОНОМ И АЗОТОМ НА СВОЙСТВА КРЕМНИЯ
А.И. Поплавский, А.Я. Колпаков, М.Е. Галкина, И.В. Суджанская, И.Ю. Гончаров, Е.Н. Бондарева
Белгородский государственный университет,
ул. Студенческая, 14, Белгород, 308007, Россия, e-mail: poplavsky@bsu.edu.ru
Аннотация. Приведены результаты исследований влияния процесса распыления Si низко-энергетичными ионами аргона и азота (< 1 кэВ) на шероховатость поверхности, электропроводность, микротвердость и трещиностойкость. Угол падения ионов, отсчитанный от нормали поверхности мишени, в процессе бомбардировки составлял 75° "85°. Установлено, что выбранный режим ионной очистки оказывает минимальное влияние на свойства исходного материала, сохраняя при этом коэффициент распыления Y > 1 атом/ион.
Ключевые слова: ионная бомбардировка, коэффициент распыления, электропроводность, микротвердость, трещиностойкость, шероховатость поверхности.
Введение. Очистка поверхности подложек от различного рода загрязнений и окисного слоя путем ионной бомбардировки является неотъемлемой частью технологии нанесения тонких пленок (покрытий) в вакууме для получения атомарно чистой поверхности и повышения их адгезии. Так, подготовка подложки Si путем ионного распыления используется в технологическом процессе получения углеродных алмазоподобных покрытий [1,2].
Процесс ионного распыления сопровождается изменением рельефа поверхности, образованием в приповерхностном слое радиационных точечных дефектов, а также соединений имплантированных ионов с атомами мишени в случае химически активных ионов. Накопление радиационных дефектов в приповерхностной зоне может приводить к их кластеризации и возникновению аморфных областей. При высоких дозах облучения даже медленные ионы с энергией 100 - 500 эВ приводят к аморфизации приповерхностного слоя полупроводников [3,4]. Авторы работы [4] считают, что получить атомарно чистую поверхность можно путем распыления Si (100) ионами Ar с энергией 300 эВ при комнатной температуре, с последующим отжигом дефектов в сверхвысоком вакууме при температуре 700 °C. Однако в технологическом процессе получения покрытий это не всегда можно реализовать, например, при нанесении наноразмерных углеродных алмазоподобных покрытий со свойствами близкими к свойствам природного алмаза, температура подложки не должна превышать 150 °C.
Из вышесказанного следует, что процесс ионной очистки поверхности Si от загрязнений сопровождается модифицированием приповерхностного слоя свойства которого отличаются от свойств материала подложки. В первую очередь, следует ожидать изменений шероховатости поверхности и электропроводности приповерхностного слоя, облучаемого полупроводника. Кроме того, в работах [1,2] установлено, что облучение кремния ионами аргона и азота приводит к изменению его микротвердости. Облучение кремния ионами аргона с энергией 1 кэВ и дозой свыше 180 Дж/см2 приводит к снижению микротвердости [1], а облучение кремния ионами азота с такой же энергией и дозой 90 Дж/см2 приводит наоборот к увеличению микротвердости материала [2].
Настоящая работа посвящена исследованию процесса распыления кремния ионами аргона и азота и определению влияния ионной бомбардировки на шероховатость поверхности, электропроводность, микротвердость и трещиностойкость Si.
1. Материалы, оборудование и методика эксперимента. Объектом исследования являются пластины монокристаллического кремния марки КЭФ-4,5 с ориентацией (100) и электропроводностью - 0,22 (Ом-см)-1 (БПКЖ.90.01.000 ТУ).-
Распыление поверхностного слоя кремния проводили с помощью ионного источника типа «Радикал», которым оснащена установка нанесения покрытий в вакууме УВНИПА-1-001. Источник представляет собой ускоритель с холодным катодом и азимутальным дрейфом электронов. На выходе источник имеет кольцевой пучок ионов диаметром 100 мм, который может быть расходящимся или сфокусированным в зависимости от конфигурации магнитного поля в разрядном промежутке. Источники такого типа формируют немоноэнергетический пучок, средняя энергия ионов в пучке составляет 0,25 - 0,5 от энергии, соответствующей напряжению на разряде [5]. Для повышения равномерности процесса распыления и снижения плотности потока ионов на поверхности подложки, подложка была расположена горизонтально на планетарном механизме вращения, в нижней части поперечного сечения расходящегося ионного пучка. При таком расположении угол падения ионов, отсчитанный от нормали поверхности мишени, в процессе бомбардировки составлял 75° - 85°. Известно, что при таких углах падения коэффициент распыления (Y), определяемый как среднее число атомов, удаленных с поверхности мишени одним ионом достаточно высок [6].
Предварительно вакуумную камеру откачивали до давления порядка 1 • 10-3 Па, а затем проводили процесс ионного облучения образцов Si аргоном и азотом в течение 15 мин. Напряжение разряда в ионном источнике - 2 кВ, средняя плотность ионного тока - 14 мкА/см2. Наличие на поверхности кремния окисного слоя, а также других диэлектрических включений, может приводить к аккумулированию заряда и возникновению электрических пробоев. Поэтому, чтобы снизить вероятность электрических пробоев, подложка находилась под плавающим потенциалом. В процессе ионного облучения температура подложки не превышала 50 °С.
Массу образцов до и после травления определяли взвешиванием на электронных аналитических весах МВ 210-А с погрешностью ± 0,1 мг. Электропроводность измеряли четырехзон-довым методом. Измерение микротвердости, а также средней длины трещин, образующихся при микроиндентировании образцов, проводили на микротвердомере DM8 при нагрузках на индентор: 0,1; 0,25; 0,5 Н. Время выдержки под нагрузкой - 15 с. Среднюю длину трещин из 20 измерений определяли на основании подсчета их общего числа и длины.
Поверхность образцов исследовали на сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ) Ntegra Aura в режиме отображения сопротивления растекания. Оптическая схема регистрации отклонений кантилевера позволяет обеспечить предельное разрешение по вертикали AZ ~ 0,03 нм, что существенно меньше толщины одного монослоя Si (100), которая составляет 0,136 нм. Сканирование проводили кантилевером DCP11 с проводящим алмазоподобным покрытием, имеющим сопротивление 0,5-1 Ом-см. Радиус кривизны зондирующего острия R=100 нм позволяет обеспечить предельное латеральное разрешение d, = V8RAZ 5 нм. Напряжение между образцом и кантилевером - 3 В. Поле сканирование 5 х 5 мкм.
Компьютерное моделирование процессов ионной бомбардировки кремния проводили с использованием программного пакета SRIM (The stopping and range of ions in matter) [7].
2. Результаты и их обсуждение. Экспериментально измеренная скорость распыления Si (100) составила 2,64 нм/мин при облучении ионами аргона и 1,54 нм/мин при облучении ионами азота. Если выразить скорость распыления через коэффициент распыления, то получается 2,51 и 1,46 атом/ион для ионов аргона и азота, соответственно.
На рис. 1 представлены зависимости коэффициента распыления (Y) кремния падающими под углом 80° относительно нормали поверхности ионами аргона и азота, полученные путем компьютерного моделирования атомных столкновений в среде программы SRIM. Параметры моделирования: плотность Si - 2,33 г/см3; энергия смещения атома - 22 эВ, энергия связи - 2,2 эВ; поверхностная энергия связи - 3,2 эВ. Из результатов моделирования следует, что повышение энергии ионов с 0,2 до 1 кэВ приводит к существенному повышению коэффициентов распыления. Коэффициент распыления Si аргоном выше, чем азотом, причем с повышением энергии эта разница увеличивается. Количество отраженных ионов аргона составило около 40 %, а азота около 50 %.
Если сопоставить экспериментально определенные коэффициенты распыления с результатами моделирования, то они соответствуют энергиям ионов 420 эВ в случае аргона и 340 эВ для азота, что соответствует характеристикам источника.
Ниже представлены результаты исследований свойств образцов исходного кремния и после ионной бомбардировки аргоном и азотом. Электропроводность является одной из наиболее структурно-чувствительных характеристик материала. Электропроводность поверхности
5 -4-
Е
О -н
>-" : 1 -
О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Е, кэ В
Рис. 1. Коэффициент распыления Si ионами аргона и азота, падающими под углом 80°,
отсчитанным от нормали поверхности.
исходного образца составила 0,06 (Ом-см)-1 (табл. 1), что значительно меньше паспортных данных электропроводности кремния -— 0,22 (Ом-см)-1. Данная разница связана с наличием естественного окисного слоя на поверхности кремния, толщина которого по данным работы [8] для Si (100) составляет 4-5 нм. После облучения ионами Ar электропроводность поверхности образца повысилась до 0,20 (Ом-см)-1, что практически соответствует объемной электропроводности Si. Образцы, подвергнутые бомбардировки ионами N, обладают более низкой электропроводностью поверхности, сравнимой с электропроводностью исходной окисленной поверхности Si (табл. 1).
Исследования методом СЗМ в режиме отображения сопротивления растекания тока по поверхности также свидетельствую о более высокой проводимости поверхности Si, подвергнутого бомбардировке ионами Ar (табл.1).
Таблица 1
Результаты измерения электропроводности а, и СЗМ исследований поверхности: i - среднее значения тока по поверхности, Sa - среднеарифметическая шероховатость
Образец а, (Ом-см)-1 Результаты СЗМ
¿,нА Sq,,hm
Исходный 0,06 0,06 0,08
После облучения ионами Аг 0,20 0,16 0,11
После облучения ионами N 0,09 0,06 0,09
Среднее значение тока на поверхности почти в три раза выше, чем в исходном образце и образце после облучения ионами N. В тоже время, среднеарифметическая шероховатость поверхности после распыления Аг увеличилась в сравнении с шероховатостью исходного образца (табл.1). На рис. 2 представлена гистограмма высот поверхности (распределение точек по высоте в области сканирования), после облучения ионами Аг. Разброс по высоте для подавляющего большинства точек поверхности лежит в диапазоне 0,5-1,6 нм, а пик гистограммы приходится на 1,1 нм. Пики гистограмм высот поверхности исходного и после облучения ионами N смещены в сторону меньших высот. Таким образом, выбранный нами режим распыления кремния ионами азота не приводит к изменению шероховатости поверхности, а в случае ионов аргона к ее незначительному увеличению.
В табл. 2 представлены результаты измерений микротвердости образцов и длины трещин, образующихся в процессе микроиндентирования, при разных нагрузках на индентор. Микротвердость измеренная при нагрузках 0,1 и 0,25 Н, у образцов подвергнутых ионному
О 0,5 1,0 1,5 2,0
пт
Рис. 2. Гистограмма высот поверхности после распыления ионами Аг.
облучению оказалась несколько выше в сравнении с исходным образцом, что может быть результатом ионного уплотнения приповерхностного слоя. При нагрузке 0,5 Н микротвердость всех трех образцов имеет одно и то же значение. Сравнивая полученные данные с результатами работы [2], в которой наблюдалось повышение микротвердости кремния (> 30%) после
бомбардировки ионами азота, можно констатировать, что выбранный нами режим ионного распыления является «щадяЩим» и не приводит к заметным изменениям микротвердости. Установлено, что ионная бомбардировка кремния не оказывает влияния на его трещиностой-кость, разброс значений средних длин трещин образцов лежит в пределах погрешности измерений (табл. 2).
Таблица 2
Результаты измерения микротвердости ИУ и средней длины трещин 1_
Образец НУ, ГПа / Ь, мкм
иди 0,25Н 0,5Н
Исходный образец 12,4 / 0,14 11,5 / 2,67 11,4 / 5,32
После облучения ионами Аг 13,5 / 0,16 12,4 / 2,43 11,2 / 5,50
После облучения ионами N 13,4 / 0,19 12,6 / 2,40 11,3 / 5,60
Оценить толщину возникающего под действием ионной бомбардировки дефектного слоя можно путем компьютерного моделирование атомных столкновений в среде программы БШМ [7]. На рис. 3 представлены мгновенные разностные профили распределения вакансий и межузельных атомов в Б1. Угол падения ионов аргона отсчитанный от нормали поверхности - 80°, энергия - 0,2 и 1 кэВ. Большая часть вакансий, образованных в результате смещений атомов кремния, залегает непосредственно вблизи поверхности на глубине, соответствующей 1-2 параметрам решетки Б1. Далее располагается слой насыщенный межузельными атомами. Количество внедренных в ионов бомбардирующего газа на порядок ниже количества созданных собственных межузельных атомов. Увеличение энергии ионов от 0,2 до 1 кэВ приводит к увеличению толщины дефектного слоя приблизительно в 2 раза.
Выводы.
1. Очистка кремния низкоэнергетичной ионной бомбардировкой под малыми углами к поверхности оказывает минимальное влияние на свойства исходного материала, сохраняя
при этом коэффициент распыления У > 1 атом/ион, и может быть использована, например, для подготовки поверхности в технологическом процессе получения наноразмерных покрытий на кремнии вакуумно-дуговыми методами.
2. Шероховатость поверхности кремния практически не меняется при распылении ионами азота и повышается в случае применения аргона.
Рис. 3. Мгновенные разностные профили распределения вакансий и межузельных атомов в 81, образованных бомбардировкой ионами Аг с энергией 0,2 и 1 кэВ, падающими под углом 80°, отсчитанным от нормали поверхности.
3. Распыление кремния ионами аргона предпочтительнее в том случае, когда необходимо обеспечить электропроводность поверхности такую же, как и в объеме.
Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 г. (соглашение № 14.А18.21.0940 о предоставлении гранта), а также при финансовой поддержке Минобрнауки в рамках госконтракта №16.552.11.7087 с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Диагностика структуры и свойств наноматериалов» НИУ «БелГУ».
Литература
1. Суджанская И.В., Галкина М.Е., Гончаров И.Ю., Колпаков А.Я., Поплавский А.И. Микротвердость кремния после ионного облучения и нанесения углеродного покрытия // Деформация и разрушение материалов. - 2008. - №10. - С.12-15.
2. Колпаков А.Я., Дручинина О.А., Харченко В.А. Влияние облучения ионами азота и нанесения наноразмерного углеродного покрытия на микротвердость и трещиностойкость кремния // Российские нанотехнологии. - 2009. - 4. - С.72-75.
3. Аброян И.А. Влияние ионной бомбардировки на физические свойства полупроводников // УФН. - 1971. - 104;1. - С.15-50.
4. Kim J.C., Ji J.-Y., Kline J.S., Tucker J.R., Shen T.-C. Preparation of atomically clean and flat Si (100) surfaces by low-energy ion sputtering and low-temperature annealing // Applied Surface Science. - 2003. - 220. - P.293-297.
5. Виноградов М.И., Маишев Ю.П. Вакуумные процессы и оборудование ионно- и электроннолучевой технологии / М.: Машиностроение, 1989. -- 56 c.
6. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой: Физическое распыление одноэлементных твердых тел. Пер. с англ./ Под ред. Р. Бериша / М.: Мир, 1984. -- 336 с.
7. http://www.srim.org
8. Филатова Е.О., Соколов А.А., Тарачева Е.Ю., Багров И.В. Исследование естественного окисла на поверхности монокристаллического кремния (111) и (100) марки КЭФ (111) и марки КДБ методом спектроскопии отражения // Письма в ЖТФ. - 2009. - 35;2. -С.36-41.
INFLUENCE OF LOW-ENERGY ION BOMBARDMENT OF ARGON AND NITROGEN ON THE PROPERTIES OF SILICON
A.I. Poplavsky, A.Ya. Kolpakov, M.E. Galkina, I.V. Sudzhanskaya, I.Yu. Goncharov, E.N. Bondareva
Belgorod State University, Studencheskaya St., 14, Belgorod, 308007, Russia, e-mail: poplavsky@bsu.edu.ru
Abstract. Investigation results of the Si sputtering process influence by low-energy ions of argon and nitrogen (<1 keV) on surface roughness, conductivity, microhardness and fracture toughness are proposed. The incidence angle of ions measured from the normal to the target surface, during the bombardment was 75° - 85°. It is found that the selected mode of ion cleaning has minimal influence on properties of the original material while the sputtering coefficient has been Y > 1 atom / ion.
Key words: ion bombardment, the sputtering coefficient, electrical conductivity, microhardness, fracture toughness, surface roughness.
