羅進(jìn)寶 Vasiliy Pelenovich2)? 曾曉梅? 郝中華?? 張翔宇 左文彬 付德君
1) (武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,武漢 430072)
2) (武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院,武漢 430072)
本研究提出采用兩種不同的離子劑量比的氣體團(tuán)簇離子束多級(jí)能量模式來(lái)改善n-Si(100)單晶片的創(chuàng)傷表面.模式一采用低劑量的高能量團(tuán)簇和高劑量的低能量團(tuán)簇組合,模式二則采用高劑量的高能量團(tuán)簇和低劑量的低能量團(tuán)簇組合.結(jié)果證明,模式一的平坦化效果優(yōu)于模式二,兩者的均方根粗糙度分別為0.62 nm和1.02 nm.本文在研究多級(jí)能量模式平坦化前,先做了單一能量團(tuán)簇轟擊帶有機(jī)械損傷的Si 片實(shí)驗(yàn),來(lái)驗(yàn)證創(chuàng)傷去除、離子損傷程度與團(tuán)簇能量的關(guān)系.結(jié)果證明,當(dāng)用15 kV 高壓加速團(tuán)簇離子時(shí),劃痕去除效率最高,最終表面劃痕很淺,但粗糙度下降不明顯;當(dāng)用8 kV,5 kV 低壓加速團(tuán)簇離子時(shí),樣品表面變得細(xì)膩,遺留的離子損傷最輕.然后將多級(jí)能量模式一與單一能量團(tuán)簇轟擊靶材進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,與單一15 keV 的高能團(tuán)簇處理相比,多級(jí)能量模式可以獲得更為平坦的靶材表面;與單一5 keV 的低能團(tuán)簇處理相比,多級(jí)能量模式可以更好的去除劃痕等創(chuàng)傷.多級(jí)能量模式一將高、低能團(tuán)簇優(yōu)點(diǎn)集中起來(lái),從而達(dá)到最佳的平坦化效果.
氣體團(tuán)簇離子(gas cluster ion,GCI)是一種低荷質(zhì)比的介觀聚合體,其帶電量一般僅一個(gè)電子e,而包含的原子或分子數(shù)量巨大,從幾個(gè)到數(shù)千個(gè)甚至上萬(wàn)個(gè)不等,直徑在0.1—10 nm 區(qū)間.因其低荷質(zhì)比,使得團(tuán)簇中原子的平均能量很低,因而團(tuán)簇離子具有幾個(gè)不同于單原子離子特點(diǎn):高濺射率、橫向?yàn)R射效應(yīng)、非線性濺射效應(yīng)、高密度能量沉積[1].氣體團(tuán)簇離子廣泛應(yīng)用于超淺淺摻雜[2]、表面平坦化處理[3]、鍍膜[4?6]、高效低損耗表面蝕刻等納米工藝[7?13].
團(tuán)簇離子最廣泛的應(yīng)用是表面平坦化處理,平坦化效應(yīng)形成的主要原因有:1)橫向?yàn)R射效應(yīng)[14],團(tuán)簇垂直轟擊靶材表面時(shí),從靶材中濺射出的物質(zhì)幾乎是平行靶材表面飛濺出去;2)具有高質(zhì)荷比,每個(gè)原子攜帶的能量?jī)H為單體能量的千分之一,平均能量低,團(tuán)簇尺寸大,原子數(shù)量多;3)具有高濺射率[15].團(tuán)簇離子的高濺射率和橫向?yàn)R射效應(yīng)可以有效地進(jìn)行平坦化處理,這是單離子束做不到的[16].
團(tuán)簇的平坦化效果主要取決于樣品材質(zhì)、團(tuán)簇尺寸、能量和離子劑量[17].高能團(tuán)簇濺射率高[18],加快平坦化進(jìn)程,但是高能團(tuán)簇轟擊會(huì)對(duì)靶材表面形成離子損傷.Merkle 等[19]、Gspann[20]發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象(高能團(tuán)簇轟擊會(huì)對(duì)靶材表面形成離子損傷),將它解釋為弧坑.Takeuchi 等[21]用高能Ar s 團(tuán)簇離子轟擊高取向軟石墨,在其表面上也觀察到了隕石坑形狀的痕跡.掃描電子掃描顯微鏡觀測(cè)表明,Ar 團(tuán)簇離子轟擊呈環(huán)形彈坑狀,其直徑與離子能量立方根成正比.他發(fā)現(xiàn)團(tuán)簇離子的動(dòng)能是等向沉積在表面的.Matsuo 等[22]用變溫掃描隧道顯微鏡研究了Si (111)7×7 表面的隕石坑形成,并與分子動(dòng)力學(xué)(molecular dynamics,MD)模擬的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算進(jìn)行了比較,討論了損傷形成與團(tuán)簇大小的關(guān)聯(lián).Allen 等[23]對(duì)不同能量狀態(tài)、團(tuán)簇尺寸和襯底材料的團(tuán)簇離子形成隕石坑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,再次證實(shí),對(duì)于團(tuán)簇離子的垂直轟擊,在MD 模擬中通常觀察到隕石坑是半球形的.
離子損傷形成過(guò)程如下[24]:載能團(tuán)簇以一定速度轟擊到靶材表面,其能量會(huì)傳遞給與之接觸的靶材原子,這些原子獲得能量后向前推進(jìn)或?yàn)R射至靶材外,同時(shí),氣體團(tuán)簇失去能量后蒸發(fā)汽化,被分子泵排出腔室外,在靶材表面遺留一個(gè)孔洞,稱之為半球形離子損傷,底部低于靶材平均表面,四周高于靶材平均表面.這種不平整結(jié)構(gòu)會(huì)破壞已經(jīng)形成的平坦表面,增加靶材表面的粗糙度.離子損傷(弧坑)隨團(tuán)簇能量增大而變寬變深[25],這意味著低能團(tuán)簇可以減輕離子損傷,而且在一定程度上可以修復(fù)靶材表面遺留的離子損傷,促進(jìn)形成更平坦的靶材表面.
表面粗糙度隨離子劑量變化的速度遵循先迅速降低,最后保持動(dòng)態(tài)平穩(wěn)的過(guò)程[26]:團(tuán)簇轟擊靶材初期,樣品表面高凸起部分迅速被擊出,粗糙度降低得很快;而中期對(duì)寬矮凸起的去除稍顯困難,粗糙度緩慢降低;對(duì)于末期,團(tuán)簇濺射的同時(shí)會(huì)遺留離子損傷,破壞靶材表面結(jié)構(gòu),在平坦化和粗糙化的雙重效應(yīng)下,粗糙度保持動(dòng)態(tài)平穩(wěn).
本文研究的多級(jí)能量模式修形法是對(duì)之前兩步能量平坦化研究的延續(xù)[27],在本文中,以帶有創(chuàng)傷的n-Si (100)單晶片為樣品,Ar 氣體團(tuán)簇為轟擊離子,采用了兩種離子劑量比不一的多級(jí)能量模式對(duì)其進(jìn)行平坦化處理,通過(guò)原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)測(cè)試表征,對(duì)比兩種模式在劃痕去除、離子損傷修復(fù)中的差異.
本課題組自主設(shè)計(jì)了一臺(tái)氣體團(tuán)簇離子源,主要包括3 個(gè)腔室:中性粒子腔(噴嘴腔)、加速腔以及靶材室.噴嘴腔主要有圓錐噴嘴、取束器,超音速通過(guò)脈沖閥和源氣體連接,源氣體可以是CO2,Ar,O2,N2等,它的作用是使單原子超聲膨脹、絕熱冷卻形成中性團(tuán)簇,再經(jīng)過(guò)取束器進(jìn)入到加速腔.加速腔包括離化器、加速器,離化器外殼是圓柱形不銹鋼柵屏,其內(nèi)部有兩個(gè)陰極和位于兩陰極之間的陽(yáng)極,陰極材料是鎢絲,在高壓加熱時(shí)鎢絲會(huì)產(chǎn)生熱電子,熱電子從陰極運(yùn)動(dòng)到陽(yáng)極,在這過(guò)程中會(huì)與團(tuán)簇粒子發(fā)生碰撞,使其電離成團(tuán)簇離子,團(tuán)簇離子再經(jīng)過(guò)加速器進(jìn)行加速,然后在永久性磁鐵作用下,單個(gè)團(tuán)簇離子會(huì)聚集成團(tuán)簇離子束,最后到達(dá)靶材室[28?29].
本文中選用惰性氣體Ar 為實(shí)驗(yàn)氣體,源氣體壓強(qiáng)為9 bar (1 bar=0.1 MPa),噴嘴腔室和靶材室的真空度分別為2.0 Pa 和4.3×10–3Pa.同時(shí)選用n-Si (100)單晶片作為靶材材料,并用金剛石研磨膏(粒徑0.5 μm)打磨,在其表面形成帶有劃痕的機(jī)械損傷,然后用無(wú)水乙醇和去離子水進(jìn)行超聲清洗,除去表面油污、灰塵等雜質(zhì),并將Si 片切成5 mm×5 mm×0.5 mm 的形狀,放置在銅質(zhì)樣品臺(tái)上,最后置于靶材室,用氣體團(tuán)簇離子束對(duì)其進(jìn)行垂直輻照.
本文研究了單一團(tuán)簇能量對(duì)帶有機(jī)械損傷的Si 片的影響,包括單一15 keV 高能、單一8 keV低能、單一5 keV 低能團(tuán)簇離子輻照靶材,以上實(shí)驗(yàn)研究中的離子劑量均為6×1016cm–2,并分析了不同單一能量團(tuán)簇輻照靶材產(chǎn)生的影響.在研究單一能量團(tuán)簇輻照靶材表面影響的基礎(chǔ)上,另外對(duì)比研究了兩種多級(jí)能量模式對(duì)靶材表面平坦化處理的差異,模式一:低劑量(其離子劑量為2 ×1016cm–2)高能團(tuán)簇和高劑量(其離子劑量為4 ×1016cm–2)低能團(tuán)簇組合,采取多級(jí)能量團(tuán)簇輻照15 keV+8 keV+5 keV 的修形處理;模式二:高劑量(其離子劑量為3×1016cm-2)高能團(tuán)簇和低劑量(其離子劑量分別為2×1016cm–2、1 ×1016cm–2)低能團(tuán)簇組合,采取多級(jí)能量團(tuán)簇輻照15 keV+8 keV+5 keV 的修形處理.這兩者的不同主要在于不同能量的團(tuán)簇輻照靶材時(shí)所用的離子劑量不同,而離子劑量的多少,直接影響到靶材表面的平坦化效果.
采用AFM 作為表征手段,分析團(tuán)簇輻照前后Si 片表面形貌的變化情況.AFM 測(cè)試選取的掃描面積為10 μm×10 μm,0.5 μm×0.5 μm.表1和表2 分別列出了單一能量團(tuán)簇轟擊靶材和兩種多級(jí)能量模式轟擊靶材的平坦化參數(shù)(加速電壓、離子劑量、拋光時(shí)間),平坦化結(jié)果(均方根表面粗糙度Rq).
表1 Si 片樣品的平坦化參數(shù)(團(tuán)簇能量、離子劑量、拋光時(shí)間)和平坦化結(jié)果(均方根表面粗糙度Rq)Table 1.The smoothing parameters (cluster energy,ion dose,smoothing time) and root mean square roughness Rq.
表2 Si 片樣品的平坦化參數(shù)(團(tuán)簇能量、離子劑量、拋光時(shí)間)和平坦化結(jié)果(均方根表面粗糙度Rq)Table 2.The smoothing parameters (cluster energy,ion dose,smoothing time) and root mean square roughness Rq.
為了驗(yàn)證創(chuàng)傷去除、離子損傷程度與團(tuán)簇能量的關(guān)系,先用單一能量帶有機(jī)械損傷(劃痕)的Si 片.圖1 為經(jīng)不同能量的Ar 團(tuán)簇垂直輻照后,Si 片的AFM 表面形貌圖.圖1(a)為團(tuán)簇轟擊前的初始表面形貌,可以看到表面有很多劃痕,劃痕最大深度有9—10 nm,其表面均方根粗糙度Rq為1.69 nm,如表1 所示.經(jīng)過(guò)15 keV 高能團(tuán)簇轟擊之后,Si 片的AFM 表面形貌圖如圖1(b)所示,劃痕明顯很淺,都在1 nm 以下,但表面顆粒粗大,其表面均方根粗糙度Rq為1.64 nm,粗糙度稍有降低,這是因?yàn)樵诟吣芰繄F(tuán)簇濺射率高,可以迅速除去劃痕,同時(shí)在Si 片表面遺留下離子損傷(弧坑),破壞靶材表面結(jié)構(gòu),所以最終粗糙度變化不明顯.經(jīng)過(guò)8 keV 低能團(tuán)簇轟擊后,Si 片的AFM 表面形貌圖如圖1(c)所示,可以看到顆粒變得細(xì)膩,其表面均方根粗糙度Rq為1.07 nm,這是因?yàn)樵诘湍芰哭Z擊靶材后,樣品表面遺留的離子損傷更輕,從而樣品表面顯得更平坦些,但劃痕去除效果較差,最大劃痕深度在2 nm 左右.最后用更低能量5 keV 團(tuán)簇轟擊靶材,Si 片的AFM 表面形貌圖如圖1(d)所示,同樣可以看到Si 片表面變得細(xì)膩,但深劃痕清晰可見(jiàn),且劃痕深度變化不大,最大劃痕深度有6 nm,其表面均方根粗糙度Rq為1.10 nm,這是因?yàn)楫?dāng)能量很低時(shí),并不能很快除去靶材開(kāi)始帶有的機(jī)械損傷,即不能有效去除靶材高突起的形狀物質(zhì),雖然離子損傷很輕,但是劃痕在靶材表面粗糙度上貢獻(xiàn)更大,從而靶材平坦化效果也不能達(dá)到最佳.
圖1 Si 片經(jīng)不同單一能量的Ar 團(tuán)簇垂直輻照前后的AFM 表面形貌圖 (a) 0 keV (initial);(b) 15 keV;(c) 8 keV;(d) 5 keVFig.1.AFM images of Si surface before and after Ar cluster bombardment at different single energies:(a) 0 keV (initial surface);(b) 15 keV;(c) 8 keV;(d) 5 keV.
對(duì)比圖1(b)、圖1(c)和圖1(d),可以得出,當(dāng)用15 keV 高壓加速團(tuán)簇離子時(shí),劃痕去除效率最高,最終表面劃痕很淺,但粗糙度下降不明顯,這是因?yàn)楦吣軋F(tuán)簇轟擊靶材后會(huì)遺留下離子損傷,破壞靶材已形成的平坦表面結(jié)構(gòu);當(dāng)用8 kV 和5 kV低壓加速團(tuán)簇離子時(shí),樣品表面變得細(xì)膩,遺留的離子損傷最輕,但是不能有效去除靶材表面深劃痕.即高能團(tuán)簇濺射率高,而低能團(tuán)簇造成的離子損傷小.
同樣以帶有機(jī)械損傷的Si 片為研究對(duì)象,對(duì)比研究了在不同離子劑量比下,氣體團(tuán)簇離子束多級(jí)能量模式在機(jī)械損傷修復(fù)中的作用.圖2 為經(jīng)兩種不同模式的Ar 團(tuán)簇離子垂直輻照后,Si 片的AFM 表面形貌圖.圖2(a)為團(tuán)簇轟擊前的初始表面,Si 片是由金剛石研磨膏打磨而成,表面有很多劃痕,最大劃痕深度達(dá)9—10 nm,其均方根粗糙度Rq為1.69 nm,如表2 所示.圖2(b)為經(jīng)15 keV +8 keV+5 keV (3 個(gè)能量對(duì)應(yīng)的離子劑量均為2 ×1016cm–2)多級(jí)能量模式一輻照后的表面形貌,圖2(c)為經(jīng)15 keV+8 keV+5 keV (3 個(gè)能量對(duì)應(yīng)的離子劑量分別為3×1016,2×1016,1 ×1016cm–2)多級(jí)能量模式二輻照后的表面形貌,樣品表面劃痕幾乎不復(fù)存在,其表面均方根粗糙度Rq分別降低至0.62 nm、1.02 nm,如表2 所示.對(duì)比圖2(b)和圖2(c)可以看出,模式一修復(fù)的靶材表面顆粒非常細(xì)密光膩,表面光潔幾乎無(wú)污染,平坦化效果最佳;模式二修復(fù)靶材表面顆粒相對(duì)模式一粗大,沒(méi)有圖2(b)中細(xì)膩光滑.這是因?yàn)樵诙嗉?jí)能量模式二中,前期采用了3×1016cm–2高劑量的15 kV 高能團(tuán)簇轟擊靶材表面,這樣高能團(tuán)簇轟擊后會(huì)遺留更多的離子損傷,后期的2×1016cm–2低劑量的8 kV 低能團(tuán)簇、1×1016cm–2低劑量的5 kV 低能團(tuán)簇只能除去部分離子損傷,修復(fù)力度不夠.與之不同的是在多級(jí)能量模式一中,先采用了2×1016cm–2低劑量高能團(tuán)簇去轟擊靶材表面,這樣高能量團(tuán)簇可以先快速去除樣品表面高突起的形狀物體,且在低劑量模式下,不至于遺留下太多離子損傷,利于后期修復(fù).并且在多級(jí)能量模式一后期,采用了4×1016cm–2高劑量低能團(tuán)簇去轟擊靶材表面,這樣不僅可以減輕離子損失,還可以延長(zhǎng)低能團(tuán)簇修復(fù)離子損傷的時(shí)間,從而得到最佳化的平坦化效果.
對(duì)圖2 的AFM 照片進(jìn)行分析,其PSD 頻譜曲線如圖3 所示.從圖3 可以看出:每條曲線與橫坐標(biāo)圍成一個(gè)梯形區(qū)域,而這個(gè)區(qū)域的面積大小反應(yīng)出均方根粗糙度的大小,梯形區(qū)域面積越大,則均方根粗糙度也越大;原始表面形成的區(qū)域面積最大,將兩種多級(jí)能量模式進(jìn)行對(duì)比,多級(jí)能量模式一形成的區(qū)域面積比多級(jí)能量模式二形成的區(qū)域面積小.再次表明,多級(jí)能量模式一的平坦化效果優(yōu)于多級(jí)能量模式二的平坦化效果.
圖2 Si 片經(jīng)兩種不同模式的Ar 團(tuán)簇垂直輻照后的AFM 表面形貌圖 (a) 0 keV (初始);(b) 15 keV+8 keV+5 keV 多級(jí)能量(其離子劑量均為2×1016 cm–2);(c) 15 keV+8 keV+5 keV 多級(jí)能量(其離子劑量分別為3×1016,2×1016,1×1016 cm–2)Fig.2.AFM images of mechanically polished Si surface irradiated by two different modes of Ar cluster bombardment:(a) Initial surface;(b) 15 keV+8 keV+5 keV,consequently (all ion doses are 2×1016 cm–2);(c) 15 keV+8 keV+5 keV,consequently(ion doses respectively are 3×1016,2×1016,1×1016 cm–2).
圖3 兩種 不同模 式下,Ar 團(tuán)簇 垂直輻 照Si 片 后的PSD曲線Fig.3.PSD curves of Ar clusters after vertical irradiation of Si wafer under two different modes.
為了更好地觀察靶材微觀形貌、離子損傷(孔洞)大小,將AFM 掃描面積減小到0.5 μm×0.5 μm.圖4 為經(jīng)不同能量的Ar 團(tuán)簇垂直輻照后,Si 片的AFM 表面形貌圖.圖4(a)為經(jīng)過(guò)15 keV 高能團(tuán)簇轟擊之后的Si 片的AFM 表面形貌圖,可以看出顆粒略粗大,圖4(e)是其孔洞的截面輪廓圖,孔洞直徑約25 nm、深10 nm.圖4(b)為經(jīng)過(guò)5 keV低能團(tuán)簇轟擊之后的Si 片的AFM 表面形貌圖,可以看出表面顆粒較細(xì)密,圖4(f)是其孔洞的截面輪廓圖,孔洞直徑約20 nm、深5 nm.圖4(c)為多級(jí)能量模式一15 keV+8 keV+5 keV(3 個(gè)能量對(duì)應(yīng)的離子劑量均為2×1016cm–2)輻照后Si 片的AFM 表面形貌圖,可以看出顆粒很小,圖4(g)是其孔洞的截面輪廓圖,孔洞相對(duì)平坦,直徑約25 nm、深3 nm.圖4(d)為多級(jí)能量模式二15 keV +8 keV+5 keV(3 個(gè)能量對(duì)應(yīng)的離子劑量分別為3×1016,2×1016,1×1016cm–2)輻照后Si 片的AFM 表面形貌圖,可以看出顆粒較小,圖4(h)是其孔洞的截面輪廓圖,孔洞較模式一輻照的更大,孔洞直徑約15 nm、深5 nm.從弧坑(孔洞)的截面輪廓圖中得出,圖4(e)、圖4(f)和圖4(h)具體表現(xiàn)為中間低于Si 片平均表面、邊緣高于Si 片平均表面的不平整結(jié)構(gòu),高低變化差較大;而圖4(g)可以看出孔洞高低變化差很小,整個(gè)截面幾乎為一平面.再次證明,多級(jí)能量修形模式一的平坦化效果要比單一高能團(tuán)簇、單一低能團(tuán)簇,以及多級(jí)能量模式二轟擊靶材的平坦化效果要好.
圖4 Si 片經(jīng)不同能量的Ar 團(tuán)簇垂直輻照后的AFM 表面形貌圖 (a) 15 keV;(b) 5 keV;(c) 15 keV+8 keV+5 keV (離子劑量均為 2×1016 cm–2);(d) 15 keV+8 keV+5 keV (離子劑量分別為 3×1016,2×1016、1×1016 cm–2);(e) 圖(a)中孔洞的截面輪廓圖;(f) 圖(b)中孔洞的截面輪廓圖;(g) 圖(c)中孔洞的截面輪廓圖;(h) 圖(d)中孔洞的截面輪廓圖Fig.4.AFM images of mechanically polished Si surface after Ar cluster bombardment with different energy:(a) 15 keV;(b) 5 keV;(c) 15 keV+8 keV+5 keV,consequently (all ion doses are 2×1016 cm–2);(d) 15 keV+8 keV+5 keV,consequently (ion doses respectively are 3×1016,2×1016,1×1016 cm–2);(e) cross section of a crater from (a);(f) cross section of a crater from (b);(g) cross section of a crater from (c);(h) cross section of a crater from (d).
采用Ar 氣體團(tuán)簇離子為轟擊離子,先研究了單一能量對(duì)Si 片創(chuàng)傷的修復(fù)效果,包括單一高能團(tuán)簇、單一低能團(tuán)簇.AFM 測(cè)量結(jié)果表明,單一高能團(tuán)簇轟擊靶材后,劃痕去除效率最高;單一低能團(tuán)簇轟擊靶材后,遺留的離子損傷最輕.在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了高低能離子劑量比不一的兩種多級(jí)能量模式對(duì)劃痕修復(fù)的影響,模式一:低劑量高能團(tuán)簇和高劑量低能團(tuán)簇組合(15 keV+8 keV +5 keV,3 個(gè)能量對(duì)應(yīng)的離子劑量均為2×1016cm–2);模式二:高劑量高能團(tuán)簇和低劑量低能團(tuán)簇組合(15 keV+8 keV+5 keV,3 個(gè)能量對(duì)應(yīng)的離子劑量分別為3×1016,2×1016,1×1016cm–2).結(jié)果表明,多級(jí)能量模式一的平坦化效果比多級(jí)能量模式二的平坦化效果好得多,因?yàn)樵诙嗉?jí)能量模式一中,先采用了低劑量高能團(tuán)簇轟擊靶材,這樣既可以快速除去靶材表面突起的不規(guī)則物體,又可以減輕高能團(tuán)簇遺留的離子損傷;而后期采用了高劑量低能團(tuán)簇去轟擊靶材,這樣可以加大低能團(tuán)簇的修復(fù)作用,更好的修復(fù)之前高能團(tuán)簇轟擊靶材后遺留的離子損傷.兩者結(jié)合把各自優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到極致,從而更好更快的獲得更為平坦的靶材表面,極大的降低了靶材的表面粗糙度,從而達(dá)到最佳的平坦化效果.在PSD 頻譜曲線圖中,再次證實(shí),多級(jí)能量模式一的平坦化效果優(yōu)于多級(jí)能量模式二的平坦化效果.