CC BY
28
74 ТРУДЫ БГТУ. 2014. № 6. Физико-математические науки и информатика. С. 74-76
УДК 539.1.06:539.23.234
О. Г. Бобрович, кандидат физико-математических наук, доцент (БГТУ);
И. С. Ташлыков, доктор физико-математических наук, профессор (БГПУ);
В. В. Тульев, кандидат физико-математических наук, доцент (БГТУ)
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИОННО-АССИСТИРУЕМОГО ОСАЖДЕНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ Ме/81-СТРУКТУР
Методом РОР изучен элементный состав металлических (Co, Mo, W) покрытий, осажденных на (100)Si в условиях ионного (Co+, Mo+, W+) ассистирования. Толщина покрытия увеличивается с уменьшением ускоряющего напряжения для ассистирующих ионов Со+, Мо+, W+ от 20 до 7 кВ и зависит как от отношения плотности потока ионов Ji к плотности потока нанесенных атомов JA (Ji / J А), так и типа осаждаемого на Si металла. Установлено, что оптимальное отношение J / JA, при котором достигается наибольшая толщина Со- и Мо-покрытий составляет 0,06, а для W-покрытия - 0,04.
By RBS elemental composition of Co, Mo, W coatings deposited on (100)Si substrate in the condition of ion (Со+, Мо+, W+) assisting have been investigated. Thickness of the coatings are increases with the decrease of the accelerating voltage for assisting Со+, Мо+, W+ ions from 20 to 7 kV and depends on the relationship of the flux density of ions J to the flux density of deposited atoms JA (Ji / J A) and type deposited on Si metal. It is established that the optimal ratio of J / JA at which is reached the maximum thickness Co-coating and Mo-coating is 0.06 and for W-coating - 0.04.
Введение. Воздействие ионных пучков на рост пленки и ее физические свойства зависит во многом от типа иона, его энергии и отношения плотности потока ионов З к плотности потока нанесенных атомов З (Ji / ЗА). При формировании металлических покрытий ионно-ассистируемым нанесением тонких пленок представляется важным исследование влияния отношения Ji / на скорость роста пленки при различных условиях нанесения покрытий.
Ионно-ассистируемое нанесение металлических (Со, Мо, ') покрытий на пластины (100)81 и на предварительно подготовленные структуры металл - (100)81 (металл: Со, Мо, ') в условиях ассистирования ускоренными ионами Со+, Мо+, осуществлялось при ускоряющем напряжении и = 7, 15 и 20 кВ. Для этого использовали резонансный ионный источник вакуумной электродуговой плазмы, который генерирует как нейтральный поток ЗА, так и ионный поток Ji частиц наносимого металла [1-3]. Отношение 3 / 1А в наших экспериментах менялось от 0,02 до 0,45, что соответствовало условиям роста покрытия на подложке [4]. При этом следует отметить, что ионно-ассистируемое нанесение металлических покрытий осуществлялось на структуры металл - 81, полученные осаждением соответствующего металла в течение 1 ч в режиме работы (пассивного нанесения) ионного источника при нулевом значении ускоряющего напряжения. В рабочей камере в процессе создания металлических покрытий поддерживался вакуум ~10-2 Па. Измеренные скорости осаждения металлических покрытий были от 0,4 до 1,9 нм/мин, а плотности ионного тока менялись
от 2,5 до 20 мкА/см в зависимости от энергии облучения и типа наносимого металла. Элементный состав исходных и модифицированных образцов проводили с применением метода резерфордовского обратного рассеяния (РОР) ионов гелия с энергией Е0 = 1,5 МэВ и геометрией рассеяния 91 = 0°, 92 = 70°, 9 = 110° [5]. Энергетическое разрешение детектора составляло 15 кэВ, а глубинное разрешение в кремнии 13 нм. Для анализа толщины наносимого металлического покрытия, распределения элементов по глубине в формируемых структурах покрытие - подложка, применяли компьютерное моделирование спектров РОР по программе RUMP [6].
Основная часть. Экспериментальные спектры РОР ионов гелия от исходного образца Si и образцов Мо/Si, модифицированных нанесением Мо в условиях ассистирования ионами Мо+, показаны на рис. 1. Вертикальными стрелками отмечены номера каналов, которые связаны с энергиями рассеяния ионов гелия на атомах соответствующих элементов, локализованных на поверхности образцов Si. В числе элементов, находящихся в поверхностном слое исследуемых материалов, на спектрах идентифицируются молибден, а также С, O, Si. Сдвиг сигнала от кремния в область меньших номеров каналов на спектрах РОР свидетельствует о том, что на поверхности кристалла кремния образуется покрытие. Факт осаждения металлического покрытия подтверждается также появлением сигнала в области 190-210 каналов в результате обратного рассеяния ионов гелия от атомов молибдена (спектры 1-3, рис. 1).
Влияние параметров ионно-ассистируемого осаждения на формирование Ме/Бьструктур
75
Номер канала
Рис. 1. Энергетические спектры ОР ионов гелия с Е0 = 1,5 МэВ от кристаллов (100)81, модифицированных ионно-ассистируемым нанесением молибденовых покрытий при ускоряющем напряжении: 1 - 7 кВ; 2 - 15 кВ; 3 - 20 кВ;
4 - исходный образец кремния
Факт осаждения металлического покрытия подтверждается также появлением сигнала в области 190-210 каналов в результате обратного рассеяния ионов гелия от атомов молибдена (спектры 1-3, рис. 1). Пики в области 70-120 каналов отражают появление в осажденных на кремний покрытиях атомов углерода и кислорода, по-видимому, из остаточной атмосферы вакуумной камеры экспериментальной установки. Качественно подобные результаты наблюдались при пассивном без ионного ассистирования и ионно-ассистируемом осаждении Со- и '-покрытий на 81-подложку.
На рис. 2 приведены профили распределения элементов по глубине в образцах Со/81, полученных в разных условиях. На представленных концентрационных профилях указана граница раздела покрытие - подложка, которая устанавливалась согласно разработанной методике введения Хе-маркера [7]. Анализ концентрационных зависимостей распределения элементов в сформированных металлических покрытиях обнаруживает их существенное различие от металла осаждаемого покрытия, а также технологических условий осаждения. При ускоряющем напряжении 7 кВ концентрация атомов Со на поверхности составляет 30 ат. %, а при 20 кВ -25 ат. % и далее она плавно уменьшается до 10 ат. % к границе раздела покрытие - подложка. Распределение Мо и ' в покрытии носит аналогичный характер. Максимальная концентрация атомов Мо на поверхности составляет 20 ат. % (и = 7 кВ) и плавно уменьшается до 10 ат. % к границе раздела покрытие - подложка. При и = 20 кВ концентрация атомов Мо уменьшается от поверхности к границе раздела покрытие - подложка от 9 до 2 ат. %.
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
2, нм б
Рис. 2. Распределение элементов по глубине в образцах 81 с Со покрытием, нанесенным в условиях ионного ассистирования при ускоряющем напряжении: а - 20 кВ; б - 7 кВ
Анализ распределения ' в формируемых металлических покрытиях на кремнии обнаруживает уменьшение концентрации атомов ' от поверхности покрытия к границе раздела покрытие - подложка от 20 до 2 ат. % (при и = 7 кВ) и от 30 до 3 ат. % (при и = 15 кВ).
Кислород и углерод распределены в покрытии неравномерно. Так, концентрация кислорода в Со и ' покрытиях составляет 10-20 ат. %, а в 81 становится ниже, чем концентрация Со и
Распределение углерода в покрытии качественно подобно распределению в нем кислорода. Однако концентрация атомов С примерно в 2-6 раз в Со-покрытии и в 1,5-4 раза в '-покрытии выше, чем атомов О, и снижается до ~40 ат. % к границе раздела покрытие - подложка. В случае Мо-покрытий кислорода в ~4-6 раз больше, чем углерода, что может быть связано с высокой химической активностью Мо по отношению к кислороду. Кроме того, по всей толщине осажденного
76
О. Г. Бобрович, И. С. Ташлыков, В. В. Тульев
покрытия содержится кремний с концентрацией от 10-20 ат. % у поверхности покрытия с увеличением до 40-50 ат. % к границе раздела покрытие - подложка. Наличие в покрытии кремния связано со встречной диффузией из подложки. Подобная встречная диффузия серы на поверхность из объема модифицируемой аналогичным методом резины наблюдалась ранее [8] при осаждении металлических покрытий на эластомер.
На рис. 3 представлена зависимость толщины осаждаемого покрытия от отношения / 3А.
90
80-
к 2
Н
3
о, ы о
я 50 ж
Я
а
Ц
о н
7060-
40
30
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
],иА
Рис. 3. Зависимость толщины осаждаемого покрытия Со от отношения / 1А на подложку: 1 - 81; 2 - Со/81
Уменьшение отношения / 1А с 0,45 до 0,06 позволяет увеличить толщину наносимого на подложку Со-покрытия с 30-40 до 80-90 нм. Как видно, нанесение металлического покрытия на структуры Со/81 в режиме работы ионного источника при нулевом значении ускоряющего напряжения позволяет получить более толстые покрытия. Уменьшение ускоряющего напряжения для ассистирующих ионного Со+, Мо+, '' до 7 кВ позволяет также увеличить толщину осаждаемого покрытия за счет, уменьшения интенсивности процессов распыления осаждаемого покрытия.
Заключение. Методом резерфордовского обратного рассеяния установлено, что в состав получаемых на кремнии металлических покрытий входят атомы наносимого металла (Со, Мо, '), технологических примесей углерода и кислорода из вакуумной камеры, а также 81 в результате встречной диффузии из подложки в покрытие. Ионно-ассистируемое нанесение со скоростью 0,4-1,9 нм/мин металлических покрытий при ускоряющем напряжении от 7 до 20 кВ позволяет получить покрытия различной
толщины, которая зависит как от отношения J / JA, так и типа осаждаемого на Si металла. Установлено, что оптимальное отношение Ji / JA, при котором достигается наибольшая толщина Со- и Мо-покрытий, составляет 0,06, а для W-покрытия - 0,04.
Литература
1. Композиционный состав и повреждение поверхности кремния ионно-ассистированным нанесением тонких пленок / И. С. Ташлыков и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2009. № 5. С. 92-95.
2. Тульев В. В., Ташлыков И. С. Изучение композиционного состава покрытий на основе Cr, Ti и Zr, сформированных на алюминии и кремнии методом ионно-ассистированного нанесения в условиях саморадиации // Радиаци-онно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах: труды IV Междунар. науч. конф., Томск, 12-19 авг. 2004 г. / Томский политехн. ун-т. Томск, 2004. С. 92-95.
3. Carter G., Colligon J., Tashlykov I. S. A simple theory and experimental investigation of ion assisted deposition of cobalt on silicon // J. of Advanced Materials. 1999. Vol. 5, No. 1. Р. 1-6.
4. Hirvonen J. K. Ion beam assisted thin film deposition: Fundamentals and Applications of IBAD Processing // Materials and Processes for Surface and Interface Engineering / Y. Pauleau (ed.). Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 1995. P.307-346.
5. Комаров Ф. Ф., Кумахов М. А., Ташлыков И. С. Неразрушающий анализ поверхностей твердых тел ионными пучками. - Минск: Университетское, 1987. 256 с.
6. Doolittle L. R. A semiautomatic algorithm for Rutherford backscattering analysis // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. 1986. Vol. B15. P. 227-234.
7. Бобрович О. Г., Ташлыков И. С., Глуха-таренко Т. И. Изучение границы раздела фаз в структуре Ti - Si с применением Хе маркера // Труды БГТУ. Сер. VI, Физ.-мат. науки и информатика. 2005. Вып. XIII. С. 90-92.
8. Тульев В. В., Верес О. Г. , Ташлыков И. С. Исследование структуры и химических связей в покрытиях на основе W, полученных на эластомере методом ионно-ассистированного осаждения // Взаимодействие излучений с твердым телом: материалы 7-й Междунар. конф., Минск, 26-28 сент. 2007 г. / Белорус. гос. ун-т. Минск, 2007. С.338-340.
Поступила 27.02.2014
