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靶溫度和Ar+離子損傷深度
摘要
500-1000 eV Ar+離子刻蝕會導致不同深度的損傷, “正常”損傷和離子滲透深度是一致的,<10nm. “異常”損傷可以由升高的靶溫度造成, “異常”損傷>>10nm . 我們測到的損傷深度顯示2種損傷的分界點在靶溫與溶化溫度比為0.25的時候.理解了靶溫與損傷深度的關係,有利於控製或避免深的異常的損傷.
介紹
500-1000 eV的寬幅Ar+離子被廣泛用來刻蝕靶材。當離子能量有幾百eV或更高時,在刻蝕表面下會產生一個變層。正常的或者說可以預見的變層厚度是<10nm,這個可以認為是轟擊或者說撞擊造成的。這個層是非晶態結構,包含植入的Ar，一般認為是與離子滲透深度一致的。轟擊後的退火,會在這個變層的下面重新生成次損傷結構,同時排出Ar。材料不同,離子能量,碰撞角度,測量方式都會影響到變層的深度,但一旦條件相同,結果也相同。
在同樣Ar+離子能量下,異常變層的深度是>10nm,經常>>10nm。異常變層沒有晶體結構,包括深度缺陷和植入的Ar,退火也不會消除這些缺陷和Ar。損傷深度很難定義,受幾個因素影響,變動很大，其中一個就是損傷深度的定義是否包括全部或部分損傷。異常變層中的更深部位損傷,應該是由離子轟擊中的退火過程產生的。這種退火導致了晶體結構中的部分再生,抓入了部分植入的Ar,同時把損傷帶入到結構中來。異常變層的損傷深度,不能用正常的擴散過程來解釋。同時顯示,由植入的Ar引起的缺陷,超出離子的滲透深度。
從磁控鍍膜上觀察到了同等條件下由離子轟擊引起退火的現象。在低氣壓背景下,基材溫度與基材溶化溫度之比K/K超過0.3 ，在紋理邊界產生了完整的膜。要在高氣壓背景下獲得同樣完整的膜,需要增加K/K值。原因是背景氣體干擾了沉積膜。下面作者會解釋背景氣壓的影響。高氣壓減少了濺射離子到達沉積基板的能量,所以在高氣壓下,需要更高的基板溫度來補償離子能量損失。
溫度比率關係
用早先的磁控濺射作例子,收集溫度與損傷深度的關係數據。用離子來刻蝕,重要的是離子束靶材溫度,所以用到的是靶材溫度與靶材溶化溫度比T/T。現有的幾個損傷深度數據是有限的,必須要用500-1000eV能量Ar+離子做正常撞擊,在不同材料和不同溫度比下,得出合理數量的損傷深度數據。材料有: Ge, Si, 化合物GaAs, InAs, InP, InSb和SiC。
材料溫度比接近0.25在相關性中很重要,要進一步解釋。以前認為靶材溫度在損傷深度研究中不重要,因為以前根本就沒有這個數據。幸運的是,比率在0.25左右的情況下時,離子電流密度只有幾uA/cm2 , 或者總電流只有幾uA 時，有損傷深度記錄。在輸入電流這麼小的情況, 甚至在缺少冷卻的情況下,也可以假設靶材溫度為30±10℃ 。溫度比----------,一個例外是InAs,用的電流密度為200uA，測溫度的方法不一樣。
圖1中的相關性顯示怎樣區分正常和異常損傷深度。所有正常損傷深度(<10nm)的靶材溫度和靶材溶化溫度比等於或小於0.25,而異常損傷深度(>10nm)的溫度比都等於或大於0.25。損傷深度<10nm認為是500-1000eV Ar+離子轟擊的結果。在高溫度比下產生的更深的損傷是關注的重點。
討論
在離子刻蝕中，高的基材溫度會產生異常損傷。在磁控濺射中，高的基材溫度可以產生緻密的高強度的膜，這種矛盾很容易解釋。
小於100eV的能量離子滲透很少。在磁控鍍膜中，轟擊退火是由濺鍍離子的能量引起的，能量範圍在幾eV到幾十eV。沒有轟擊離子的滲透損傷，轟擊退火也能發生。有沒有滲透都會有轟擊退火，這樣的好處不僅只在磁控鍍膜中：≤100eV Ar+離子滲透很少，使得這種能量的離子對增加緻密度很有用，在離子輔助鍍膜中產生低缺陷膜。
在離子刻蝕中，Ar+離子沒有足夠能量，很難產生有效的刻蝕率，大部分離子也很難滲透進靶材表面。如果靶材足夠熱，在刻蝕時會產生轟擊退火。但如果同時離子也產生了滲透，那退火過程會抓住進入的Ar。超出異常損傷層的損傷，是由Ar及Ar引起的缺陷導致的。
結論
一些化合物在刻蝕表面出現元素分離，同時出現不需要的物質表面。典型的例子是InP, InP這種結構是低能量濺鍍形成In導致的。這種表面結構同時伴隨遠深於10nm正常變層的損傷。暗示的順序是：1）至少一種元素的分離，2）分離引起紋理變化，3）紋理變化伴隨或導致損傷。
一個用液氮冷卻樣靶的實驗是可信的，用液氮冷卻後，刻蝕表面更光滑，刻蝕表面下的損傷大幅減少。
據推測，InP物質形成的順序是這樣的：1）T/T足夠引起刻蝕表面比正常損傷更深的損傷，2）這些深度損傷擴散，使得刻蝕表面的化合物分離，3）化合物的分離，反過來形成新的表面物質。進一步推測，如果沒有深度損傷，化合物的分離程度等於或小於正常變層的厚度。
一些用過幾年離子束的人應該會意識到這個技術是多麼豐富和復雜。找到第二種順序來解釋低溶化溫度下化合物和合金的生成是不可能的。另外，如果有不能解釋的或別的物質在多元素靶中出現，我們就要考慮過高溫度比率的可能。