離子劑量比在氣體團簇多級能量平坦化模式中的作用*

羅進寶 Vasiliy Pelenovich2)? 曾曉梅? 郝中華?? 張翔宇 左文彬 付德君

1) (武漢大學物理科學與技術學院，武漢 430072)

2) (武漢大學動力與機械學院，武漢 430072)

本研究提出采用兩種不同的離子劑量比的氣體團簇離子束多級能量模式來改善n-Si(100)單晶片的創傷表面.模式一采用低劑量的高能量團簇和高劑量的低能量團簇組合,模式二則采用高劑量的高能量團簇和低劑量的低能量團簇組合.結果證明,模式一的平坦化效果優于模式二,兩者的均方根粗糙度分別為0.62 nm和1.02 nm.本文在研究多級能量模式平坦化前,先做了單一能量團簇轟擊帶有機械損傷的Si 片實驗,來驗證創傷去除、離子損傷程度與團簇能量的關系.結果證明,當用15 kV 高壓加速團簇離子時,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;當用8 kV,5 kV 低壓加速團簇離子時,樣品表面變得細膩,遺留的離子損傷最輕.然后將多級能量模式一與單一能量團簇轟擊靶材進行對比,結果表明,與單一15 keV 的高能團簇處理相比,多級能量模式可以獲得更為平坦的靶材表面;與單一5 keV 的低能團簇處理相比,多級能量模式可以更好的去除劃痕等創傷.多級能量模式一將高、低能團簇優點集中起來,從而達到最佳的平坦化效果.

1 引言

氣體團簇離子(gas cluster ion,GCI)是一種低荷質比的介觀聚合體,其帶電量一般僅一個電子e,而包含的原子或分子數量巨大,從幾個到數千個甚至上萬個不等,直徑在0.1—10 nm 區間.因其低荷質比,使得團簇中原子的平均能量很低,因而團簇離子具有幾個不同于單原子離子特點:高濺射率、橫向濺射效應、非線性濺射效應、高密度能量沉積[1].氣體團簇離子廣泛應用于超淺淺摻雜[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].

團簇離子最廣泛的應用是表面平坦化處理,平坦化效應形成的主要原因有:1)橫向濺射效應[14],團簇垂直轟擊靶材表面時,從靶材中濺射出的物質幾乎是平行靶材表面飛濺出去;2)具有高質荷比,每個原子攜帶的能量僅為單體能量的千分之一,平均能量低,團簇尺寸大,原子數量多;3)具有高濺射率[15].團簇離子的高濺射率和橫向濺射效應可以有效地進行平坦化處理,這是單離子束做不到的[16].

團簇的平坦化效果主要取決于樣品材質、團簇尺寸、能量和離子劑量[17].高能團簇濺射率高[18],加快平坦化進程,但是高能團簇轟擊會對靶材表面形成離子損傷.Merkle 等[19]、Gspann[20]發現了這種現象(高能團簇轟擊會對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表明,Ar 團簇離子轟擊呈環形彈坑狀,其直徑與離子能量立方根成正比.他發現團簇離子的動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,并與分子動力學(molecular dynamics,MD)模擬的實驗和理論計算進行了比較,討論了損傷形成與團簇大小的關聯.Allen 等[23]對不同能量狀態、團簇尺寸和襯底材料的團簇離子形成隕石坑進行了實驗研究,再次證實,對于團簇離子的垂直轟擊,在MD 模擬中通常觀察到隕石坑是半球形的.

離子損傷形成過程如下[24]:載能團簇以一定速度轟擊到靶材表面,其能量會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或濺射至靶材外,同時,氣體團簇失去能量后蒸發汽化,被分子泵排出腔室外,在靶材表面遺留一個孔洞,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.這種不平整結構會破壞已經形成的平坦表面,增加靶材表面的粗糙度.離子損傷(弧坑)隨團簇能量增大而變寬變深[25],這意味著低能團簇可以減輕離子損傷,而且在一定程度上可以修復靶材表面遺留的離子損傷,促進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,最后保持動態平穩的過程[26]:團簇轟擊靶材初期,樣品表面高凸起部分迅速被擊出,粗糙度降低得很快;而中期對寬矮凸起的去除稍顯困難,粗糙度緩慢降低;對于末期,團簇濺射的同時會遺留離子損傷,破壞靶材表面結構,在平坦化和粗糙化的雙重效應下,粗糙度保持動態平穩.

本文研究的多級能量模式修形法是對之前兩步能量平坦化研究的延續[27],在本文中,以帶有創傷的n-Si (100)單晶片為樣品,Ar 氣體團簇為轟擊離子,采用了兩種離子劑量比不一的多級能量模式對其進行平坦化處理,通過原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)測試表征,對比兩種模式在劃痕去除、離子損傷修復中的差異.

2 實 驗

本課題組自主設計了一臺氣體團簇離子源,主要包括3 個腔室: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簇,再經過取束器進入到加速腔.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,其內部有兩個陰極和位于兩陰極之間的陽極,陰極材料是鎢絲,在高壓加熱時鎢絲會產生熱電子,熱電子從陰極運動到陽極,在這過程中會與團簇粒子發生碰撞,使其電離成團簇離子,團簇離子再經過加速器進行加速,然后在永久性磁鐵作用下,單個團簇離子會聚集成團簇離子束,最后到達靶材室[28?29].

本文中選用惰性氣體Ar 為實驗氣體,源氣體壓強為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械損傷,然后用無水乙醇和去離子水進行超聲清洗,除去表面油污、灰塵等雜質,并將Si 片切成5 mm×5 mm×0.5 mm 的形狀,放置在銅質樣品臺上,最后置于靶材室,用氣體團簇離子束對其進行垂直輻照.

本文研究了單一團簇能量對帶有機械損傷的Si 片的影響,包括單一15 keV 高能、單一8 keV低能、單一5 keV 低能團簇離子輻照靶材,以上實驗研究中的離子劑量均為6×1016cm–2,并分析了不同單一能量團簇輻照靶材產生的影響.在研究單一能量團簇輻照靶材表面影響的基礎上,另外對比研究了兩種多級能量模式對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)高能團簇和高劑量(其離子劑量為4 ×1016cm–2)低能團簇組合,采取多級能量團簇輻照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)高能團簇和低劑量(其離子劑量分別為2×1016cm–2、1 ×1016cm–2)低能團簇組合,采取多級能量團簇輻照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簇輻照靶材時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,分析團簇輻照前后Si 片表面形貌的變化情況.AFM 測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簇轟擊靶材和兩種多級能量模式轟擊靶材的平坦化參數(加速電壓、離子劑量、拋光時間),平坦化結果(均方根表面粗糙度Rq).

表1 Si 片樣品的平坦化參數(團簇能量、離子劑量、拋光時間)和平坦化結果(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(團簇能量、離子劑量、拋光時間)和平坦化結果(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.

3 結果與討論

3.1 單一能量團簇輻照對Si 片的影響

為了驗證創傷去除、離子損傷程度與團簇能量的關系,先用單一能量帶有機械損傷(劃痕)的Si 片.圖1 為經不同能量的Ar 團簇垂直輻照后,Si 片的AFM 表面形貌圖.圖1(a)為團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.經過15 keV 高能團簇轟擊之后,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,這是因為在高能量團簇濺射率高,可以迅速除去劃痕,同時在Si 片表面遺留下離子損傷(弧坑),破壞靶材表面結構,所以最終粗糙度變化不明顯.經過8 keV 低能團簇轟擊后,Si 片的AFM 表面形貌圖如圖1(c)所示,可以看到顆粒變得細膩,其表面均方根粗糙度Rq為1.07 nm,這是因為在低能量轟擊靶材后,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 片表面變得細膩,但深劃痕清晰可見,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,這是因為當能量很低時,并不能很快除去靶材開始帶有的機械損傷,即不能有效去除靶材高突起的形狀物質,雖然離子損傷很輕,但是劃痕在靶材表面粗糙度上貢獻更大,從而靶材平坦化效果也不能達到最佳.

圖1 Si 片經不同單一能量的Ar 團簇垂直輻照前后的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.

對比圖1(b)、圖1(c)和圖1(d),可以得出,當用15 keV 高壓加速團簇離子時,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,這是因為高能團簇轟擊靶材后會遺留下離子損傷,破壞靶材已形成的平坦表面結構;當用8 kV 和5 kV低壓加速團簇離子時,樣品表面變得細膩,遺留的離子損傷最輕,但是不能有效去除靶材表面深劃痕.即高能團簇濺射率高,而低能團簇造成的離子損傷小.

3.2 兩種多級能量模式對Si 片創傷的修復

同樣以帶有機械損傷的Si 片為研究對象,對比研究了在不同離子劑量比下,氣體團簇離子束多級能量模式在機械損傷修復中的作用.圖2 為經兩種不同模式的Ar 團簇離子垂直輻照后,Si 片的AFM 表面形貌圖.圖2(a)為團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15 keV +8 keV+5 keV (3 個能量對應的離子劑量均為2 ×1016cm–2)多級能量模式一輻照后的表面形貌,圖2(c)為經15 keV+8 keV+5 keV (3 個能量對應的離子劑量分別為3×1016,2×1016,1 ×1016cm–2)多級能量模式二輻照后的表面形貌,樣品表面劃痕幾乎不復存在,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.對比圖2(b)和圖2(c)可以看出,模式一修復的靶材表面顆粒非常細密光膩,表面光潔幾乎無污染,平坦化效果最佳;模式二修復靶材表面顆粒相對模式一粗大,沒有圖2(b)中細膩光滑.這是因為在多級能量模式二中,前期采用了3×1016cm–2高劑量的15 kV 高能團簇轟擊靶材表面,這樣高能團簇轟擊后會遺留更多的離子損傷,后期的2×1016cm–2低劑量的8 kV 低能團簇、1×1016cm–2低劑量的5 kV 低能團簇只能除去部分離子損傷,修復力度不夠.與之不同的是在多級能量模式一中,先采用了2×1016cm–2低劑量高能團簇去轟擊靶材表面,這樣高能量團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.并且在多級能量模式一后期,采用了4×1016cm–2高劑量低能團簇去轟擊靶材表面,這樣不僅可以減輕離子損失,還可以延長低能團簇修復離子損傷的時間,從而得到最佳化的平坦化效果.

對圖2 的AFM 照片進行分析,其PSD 頻譜曲線如圖3 所示.從圖3 可以看出:每條曲線與橫坐標圍成一個梯形區域,而這個區域的面積大小反應出均方根粗糙度的大小,梯形區域面積越大,則均方根粗糙度也越大;原始表面形成的區域面積最大,將兩種多級能量模式進行對比,多級能量模式一形成的區域面積比多級能量模式二形成的區域面積小.再次表明,多級能量模式一的平坦化效果優于多級能量模式二的平坦化效果.

圖2 Si 片經兩種不同模式的Ar 團簇垂直輻照后的AFM 表面形貌圖 (a) 0 keV (初始);(b) 15 keV+8 keV+5 keV 多級能量(其離子劑量均為2×1016 cm–2);(c) 15 keV+8 keV+5 keV 多級能量(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 為經不同能量的Ar 團簇垂直輻照后,Si 片的AFM 表面形貌圖.圖4(a)為經過15 keV 高能團簇轟擊之后的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)為經過5 keV低能團簇轟擊之后的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)為多級能量模式一15 keV+8 keV+5 keV(3 個能量對應的離子劑量均為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,孔洞相對平坦,直徑約25 nm、深3 nm.圖4(d)為多級能量模式二15 keV +8 keV+5 keV(3 個能量對應的離子劑量分別為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構,高低變化差較大;而圖4(g)可以看出孔洞高低變化差很小,整個截面幾乎為一平面.再次證明,多級能量修形模式一的平坦化效果要比單一高能團簇、單一低能團簇,以及多級能量模式二轟擊靶材的平坦化效果要好.

圖4 Si 片經不同能量的Ar 團簇垂直輻照后的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).

4 結論

采用Ar 氣體團簇離子為轟擊離子,先研究了單一能量對Si 片創傷的修復效果,包括單一高能團簇、單一低能團簇.AFM 測量結果表明,單一高能團簇轟擊靶材后,劃痕去除效率最高;單一低能團簇轟擊靶材后,遺留的離子損傷最輕.在此基礎上,進一步研究了高低能離子劑量比不一的兩種多級能量模式對劃痕修復的影響,模式一:低劑量高能團簇和高劑量低能團簇組合(15 keV+8 keV +5 keV,3 個能量對應的離子劑量均為2×1016cm–2);模式二:高劑量高能團簇和低劑量低能團簇組合(15 keV+8 keV+5 keV,3 個能量對應的離子劑量分別為3×1016,2×1016,1×1016cm–2).結果表明,多級能量模式一的平坦化效果比多級能量模式二的平坦化效果好得多,因為在多級能量模式一中,先采用了低劑量高能團簇轟擊靶材,這樣既可以快速除去靶材表面突起的不規則物體,又可以減輕高能團簇遺留的離子損傷;而后期采用了高劑量低能團簇去轟擊靶材,這樣可以加大低能團簇的修復作用,更好的修復之前高能團簇轟擊靶材后遺留的離子損傷.兩者結合把各自優勢發揮到極致,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,從而達到最佳的平坦化效果.在PSD 頻譜曲線圖中,再次證實,多級能量模式一的平坦化效果優于多級能量模式二的平坦化效果.