Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2022, № 7, стр. 46-50

ВВЕДЕНИЕ

Нитрид алюминия обладает уникальным набором физических и химических свойств, таких как высокая механическая прочность, большие пьезоэлектрические коэффициенты, коррозионная стойкость, высокое напряжение пробоя и высокая теплопроводность. Благодаря такому набору свойств пленки на основе нитрида алюминия широко используются в изоляторах, резонаторах, пьезоэлементах, микроэлектромеханических системах и в других приложениях [1–4].

Обработка кластерными ионами является одним из эффективных способов травления и сглаживания поверхности мишени до субнанометрового уровня шероховатости, но при этом глубина повреждения обрабатываемого материала составляет единицы нанометров [5–9]. Сглаживание происходит за счет коллективного взаимодействия атомов кластера с атомами мишени, которое приводит к распылению и смещению атомов мишени преимущественно вдоль ее поверхности. В отличие от мономерного ионного пучка размеры (массу) кластеров можно регулировать, благодаря чему можно сформировать ионно-кластерный пучок с очень малой энергией, приходящийся на один атом в кластере (единицы эВ), что сравнимо с энергией связи частиц на поверхности материала [10, 11].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

С помощью магнетронного распыления мишени из чистого Al (99.99%) в азотно-аргоновой плазме (с особой чистотой газов) были получены образцы поликристаллических пленок AlN. Толщина пленок составляла 1.1 мкм, ее определяли по данным о смещении частоты колебаний калиброванного кварцевого резонатора внутри камеры при контроле методами атомно-силовой микроскопии (АСМ) и просвечивающей электронной микроскопии. Пленки формировались на подложках из ситалла марки СТ-50-1-1-0.6 (С-Компонент, РФ) и монокристаллического кремния Si(100) марки КДБ-10 (РФ) при постоянной температуре подложек 350°C. Перед осаждением пленки AlN поверхность подложек очищали спирто-ацетоновой смесью с последующей промывкой деионизированной водой. Мощность магнетрона составляла 700 Вт, а фоновое давление в вакуумной камере – 0.07 Па. Расход рабочих газов N₂ и Ar 10 и 4 ст. см³/мин соответственно.

Обработку пленок AlN проводили на отечественной экспериментальной установке КЛИУС, кратко описанной в [12], при нормальном падении кластеров на поверхность мишени. Ранее [11, 13] было показано, что при малой удельной энергии кластера E/N_mean (несколько эВ/атом) поверхность мишени медленнее распыляется, но лучше сглаживается. Исходя из этих результатов был выбран низкоэнергетический режим обработки со следующими параметрами кластеров аргона: средний размер кластеров N_mean = 1000 атомов, кинетическая энергия кластеров E = 10 кэВ. Средняя плотность тока кластерных ионов ⟨j⟩ на мишени составляла 0.5 мкА/см². Среднюю скорость травления поверхности мишени ⟨$v$⟩ определяли по отношению усредненной глубины травления ко времени обработки, она составляла около 0.25 нм/мин. Для определения глубины травления использовали маскирование части поверхности образца. На левой и правой границах обработанной области (которые формировались за счет маскирования) были выбраны по два участка измерения размерами 100 × 100 мкм. На каждом участке были построены три профиля границы и определен перепад высот на границе, т.е. глубина травления. В табл. 1 показаны параметры обработки поверхности поликристаллических пленок AlN.

Для анализа морфологии поверхности образцов был использован атомно-силовой микроскоп NTEGRA Prima HD (NT-MDT, РФ). Измерения топографии проводили с помощью зондов ETALON HA_C (NT-MDT, РФ) с силовой константой 0.26 Н/м ± 20%, резонансной частотой 19 кГц ± ± 10% и радиусом закругления острия менее 10 нм. Измерения проводили в контактном режиме с пространственным разрешением 1024 × 1024 пикселей при различных размерах области сканирования (2 × 2 и 10 × 10 мкм) с частотой сканирования 1 Гц.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 и 2 представлены АСМ-изображения исходных поверхностей поликристаллической пленки AlN и поверхностей пленки AlN на разных подложках после обработки кластерными ионами. На исходных АСМ-изображениях наблюдается субмикронная структура. Ранее в [14, 15] было описано, что при магнетронном распылении на мелких равноосных зернах, расположенных на поверхности, возникают монокристаллические образования. С увеличением толщины пленки поверхность приобретает холмистую микроструктуру с осью кристаллитов, перпендикулярной поверхности мишени. В рассматриваемом случае латеральный размер (диаметр) монокристаллических образований находится в диапазоне 250–550 нм. Стоит отметить, что монокристаллиты, выращенные на кремнии, более гладкие, как видно из рис. 1а и 2а. В результате обработки кластерными ионами с низкой энергией атома в кластере (E/N_mean = 10 эВ/атом) максимальная высота неровностей R_t на поверхности пленки AlN на ситалле уменьшилась до 30 нм, а для AlN на кремнии – до 12 нм, что почти в 12 раз меньше от исходного значения R_t на масштабе 2 × 2 мкм.

Рис. 1.

АСМ-изображения области 10 × 10 мкм (слева) и 2 × 2 мкм (справа) поверхности тонкой поликристаллической пленки AlN на ситалле: а – исходная поверхность; б – после низкоэнергетического режима обработки.

Рис. 2.

АСМ-изображения области 10 × 10 мкм (слева) и 2 × 2 мкм (справа) поверхности тонкой поликристаллической пленки AlN на кремнии: а – исходная поверхность; б – после низкоэнергетического режима обработки.

Стоит отметить, что эффективное сглаживание неровностей поверхностей было достигнуто при малой глубине травления материала (30–40 нм). В табл. 2 представлена среднеквадратичная шероховатость поверхности ⟨R_q⟩ для разных размеров области сканирования. Как видно из табл. 2, после обработки кластерными ионами аргона ⟨R_q⟩ особенно эффективно снижается для пленки AlN на Si – до 1.5–3 нм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведены результаты экспериментального исследования обработки поликристаллических пленок AlN несепарированным ионно-кластерным пучком аргона. Продемонстрировано эффективное сглаживание монокристаллитов AlN диаметром сотни нанометров при малых глубинах травления материала (30–40 нм). Проведено сравнение результатов сглаживания пленок AlN, выращенных на разных подложках: ситалле и кремнии. Нитрид алюминия, выращенный на подложке из Si, сглаживается в 4.5–13 раз (в зависимости от размера области сканирования), а пленка AlN, выращенная на ситалле, – в 3–6.3 раза. Необходимо учитывать, что на ситалле шероховатость исходной пленки AlN в 1.5–2.5 раза выше, чем на Si.