Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Морфологические и топологические характеристики поверхностей подложек изделий микро-и наноэлеткроники имеют важное значение для выходных характеристик приборов или их элементов. В частности, шероховатость поверхности стремятся уменьшать до единиц наномометров и даже ангстрем [1, 2]. Увеличение параметра шероховатости до единиц микрометров, например, снижает эффективность взаимодействия винтового электронного потока с электромагнитным полем в гиротронах [3, 4].
Приборы и устройства, сформированные в многослойный кластер, зачастую имеют структуру металл-диэлектрик-полупроводник. Многослойные структуры создают последовательно из чередующихся пленок с толщиной от единиц до десятков и сотен нанометров [5-9]. При этом из-за разницы параметров решетки, коэффициента термического расширения, поверхностного натяжения и других параметров многослойные структуры подвержены появлению остаточных напряжений [10–14].
Для уменьшения значения остаточных напряжений возможно создание слоев с заведомо известными или, по крайней мере, адекватно прогнозируемыми сжимающими или растягивающими напряжениями высокого стабильного уровня независимо от исходных остаточных напряжений [15].
Таким образом, использование технологических решений позволяет на настоящий момент на качественном уровне однозначно влиять на наличие остаточных напряжений и стремиться уменьшать их.
Целью работы является изучение влияния ионно-плазменной обработки на шероховатость поверхности пленки оксида алюминия, как критерий оценки остаточных напряжений.
В качестве материально-технической базы используется установка МВТУ-11-1МС, спроектированная на кафедре «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н.Э. Баумана и изготовленная с учетом обеспечения требований учебно-лабораторного и научно-исследовательского процессов: небольшие габариты, максимальная наглядность проводимых процессов, сочетание наиболее распространенных технологических источников, возможность проведения нескольких операций формирования и обработки покрытий в едином вакуумном цикле.
Для создания функционального слоя оксида алюминия используется магнетронный источник распыления на системе водоохлаждаемых неодимовых магнитов с диаметром мишени 50,8 мм.
Методом воздействия на покрытие оксида алюминия в текущей работе является ионно-плазменное травление. В качестве источников воздействия используются: кольцевой источник ионов (ИИ), анодно-катодная система которого состоит из коррозионностойкой стали, работающего в максимальных пределах 30 мА и 3 кВ, а также распределенного тлеющего разряда на диаметре охлаждаемого столика 200 мм при мощности не более 600 Вт. Разряд невысокой плотности формируется внутри вакуумной камеры установки ионно-плазменного и химического травления Trion.
Оценка профиля структуры и характерных значений происходит при помощи сертифицированного профилометра TR220. Профилометр оснащен прецизионным индукционным датчиком, что позволяет получать максимально достоверные и точные показания в лаборатории для измерения параметров шероховатости подложек и тонкопленочных покрытий.
Предметом исследования является шероховатость и микрорельеф пленки оксида алюминия. Ионную обработку полученного магнетронным распылением тонкопленочного покрытия оксида алюминия обрабатывали в одном вакуумном цикле столбчатой плазмой аргона от кольцевого ИИ. Подложку размещали перпендикулярно оси направления плазмы ИИ. Две подложки с пленкой, толщина которой составляет от 45 до 55 нм, обрабатывали 2 и 10 минут, соответственно. Один образец ионному травлению не подвергали. Развитость поверхности оценивали по профилю шероховатости. Дополнительно измеряли профиль поверхности подложки без покрытия (ситалл СТ-50-1). На рисунке 1 представлены обобщенные данные измерения профиля всех поверхностей для удобства анализа.
Анализируя полученные профилограммы, можно заметить, что при малом времени обработки пленки (2 минуты) высота пиков и впадин шероховатости уменьшается за счет распыления концентраторов этих пиков, а при обработке длительное время (10 минут) профиль шероховатости становится более развитым. Количественная оценка показывает значения шероховатости для пленок такие как: чистый ситалл Ra < 1 нм, пленка без обработки Ra ~ 1 нм, обработка пленки 2 минуты Ra < 1 нм, обработка пленки 10 минут Ra ~ 2 нм.
Покрытие оксида алюминия, полученного магнетронным распылением, подвергали воздействию плазмы в тлеющем разряде различных газов: высокочистый аргон и смеси аргона и кислорода со стехиометрией (9:1). Мощность возбуждения плазмы изменялась от 200 до 300 Вт. На рисунке 2 приведен профиль пленки оксида алюминия после обработки аргоном в течение 40 минут.
На рис. 3 приведен профиль поверхности оксида алюминия после обработки в смеси газов аргона и кислорода в течение 5 минут.
Шероховатость образцов после обработки в аргоне и кислороде уменьшается. Это явление вызвано воздействием кислорода на пленку оксида алюминия. Оксид алюминия под воздействием кислорода полимеризуется, изменяя структуру поверхности. В связи с этим полимеризованная пленка подвергается дополнительному воздействию плазмы аргона в течение 80 минут при мощности 300 Вт (рис. 4).
Анализируя профиль поверхности, можно заметить, что при воздействии аргона шероховатость образцов увеличивается, что связано с выбиванием атомов с поверхности ионами аргона; при воздействии смесью газов аргона и кислорода шероховатость поверхности уменьшается, что связано с химическим воздействием кислорода на оксид алюминия и изменением поверхностной структуры; дальнейшее воздействие плазмой аргона увеличило волнистость полимеризованной поверхности. Таким образом мы добились большей развитости поверхности при меньшей шероховатости профиля покрытия оксида алюминия.
В результате проведенных исследований профиля поверхности покрытия оксида алюминия до и после обработки ионно-плазменными методами обнаружено, что при небольшом времени обработки (до 2 минут) уменьшается шероховатость поверхности покрытия за счет удаления наноразмерных частиц остаточных загрязнений, а также за счет стравливания пиков шероховатости как при обработке ионами аргона ИИ, так и при тлеющем разряде.
Выявлено, что добавление кислорода в состав плазмообразующего газа благоприятно сказывается на уменьшение шероховатости пленки оксида алюминия (с 8 до 2 нм) за счет полимеризации верхнего слоя пленки.
Учитывая, что наличие пиков шероховатости вызывает появление концентраторов напряженного состояния для последующий покрытий, рекомендуется проводить предварительную обработку в плазме аргона.
Дальнейшие работы планируются для изучения плотности мощности тлеющего разряда на установке Trion и кольцевого разряда в ИИ на установке МВТУ.
