МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 5, с. 325-333
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 538.95
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ФРАКТАЛЬНЫХ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР
© 2004 г. И. Н. Серов1, В. И. Марголин1, Н. А. Потсар2, И. А. Солтовская1,
В. А. Тупик2, В. С. Фантиков2
1Фонд развития новых медицинских технологий "Айрэс", Санкт-Петербург 2Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ", Санкт-Петербург
E-mail: foundation@aires.spb.ru Поступила в редакцию 28.07.2003 г.
Исследованы процессы магнетронного и термического вакуумного напыления для создания нано-размерных пленочных структур металлов с развитой фрактальной структурой. Для инициации процессов фрактализации пленок в процессе их роста применялись фрактально-матричные структури-заторы "Айрэс". Приведены результаты исследования полученных пленок методами оптической, растровой электронной и атомно-силовой микроскопии и обсуждение полученных экспериментальных данных.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие субмикронной технологии в микроэлектронике и переход к нанотехнологии требуют решения многих новых задач, одной из которых является разработка создания групповых методов обработки, позволяющих получать упорядоченные и организованные структуры на всей поверхности подложки или на значительной ее части. Применение методов электронной литографии [1, 2] как метода индивидуальной обработки в сочетании с рентгеновской литографией [3] уже не в состоянии в ближайшем будущем обеспечить необходимое разрешение на молекулярном, а тем более на атомарном уровне, поэтому представляется целесообразным воспользоваться принципами самоорганизации для получения наноразмер-ных тонкопленочных элементов с упорядоченным расположением по поверхности подложки, что позволило бы путем их дальнейшей коммутации реализовать те или иные структуры [4]. В связи с этим проблема получения на одной подложке в одном технологическом цикле различных структур, расположенных по определенным закономерностям, представляется весьма актуальной.
МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
В качестве исследуемых материалов были выбраны медь, титан, никель и нитрид титана, наносимые на подложки методами термического вакуумного напыления и магнетронного распыления на постоянном токе. Основное внимание в наших экспериментах уделялось методу магнетронного распыления вследствие его более высо-
кой энергетики, приводящей соответственно к высокой энергии конденсируемых на подложке частиц, что позволяет получать тонкие нанораз-мерные пленки, практически полностью повторяющие структуру поверхности подложки. В качестве подложек использовались оптически полированные пластины фотошаблонного стекла К-8 и пластины монокристаллического кремния с ориентацией (100) и (111) [5].
В качестве инициаторов процессов самоорганизации осаждаемых на поверхность подложки материалов использовались фрактально-матричные структуризаторы (ФМС) "Айрэс" третьего и четвертого поколения [6], представляющие собой искусственно синтезированную голограмму в виде сложной дифракционной решетки, выполненной из криволинейных замкнутых контуров с размером линии к настоящему времени порядка 1 мкм [7]. ФМС располагались под поверхностью подложки в фиксированном контакте и полностью изолировались от потока конденсируемого материала.
Исследования и анализ полученных пленок производились методами оптической микроскопии, растровой электронной микроскопии (РЭМ, Hitachi S-3500N и JSM-35) и атомно-силовой микроскопии (АСМ, AutoProbe M5, Solver P47 и Solver P47H), электронного парамагнитного резонанса (ЭПР, EPR 10 MINI) и рентгенофазового анализа (РФА, ДРОН 2).
ПОЛУЧЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
При конденсации тонких наноразмерных пленок исследуемых материалов в отсутствие ФМС
) • т О 1 4%. < 0 ® •< ® 9 *
- О
V ) ® 9 А ее _ А
(а) г ©
Рис. 1. Микрофотографии различных разновидностей фрактальных пленочных структур, полученные с помощью оптической микроскопии. Размер маркера 20 мкм.
структура пленок подобна структуре подложки, при введении под подложку ФМС локальные участки пленки приобретают структуру разнообразного характера, отмечены сфероидальные купо-лоподобные образования, причем некоторые из них имеют кратерообразную вершину (рис. 1 а), тороидальные кольцеобразные структуры (рис. 1 б) и конструкции в виде срезанных 3-, 4-, 6-гранных "квазипирамид", окруженных подобными более мелкими образованиями. Некоторые из этих
"квазипирамид" имеют в центре отверстие в виде кратера. Помимо этих элементов наблюдаются куполообразные спиральные элементы с фрактальным характером компоновки. Отмечено, что сложность и насыщенность структур возрастает как по мере продвижения от периферии каждой пластины к ее центральной зоне, так и с увеличением числа последовательно проводимых напылений, т.е. имеет место "эффект памяти" [8]. При возрастании степени фрактальности получаемых
структур происходит их деформация, рост осуществляется в условиях взаимной конкуренции (рис. 1в), что приводит к заполнению фрактальными структурами всей поверхности подложки и сильной деформации возникших образований (рис. 1г). При этом наблюдается возникновение на поверхности уже имеющихся структур более мелких образований следующего уровня фрактальности. В зависимости от числа, сложности топологического рисунка и взаимного расположения ФМС наблюдаются
различные типы упорядочения расположения получаемых фрактальных элементов (рис. 1д и е). Здесь необходимо заметить, что пока не удается целенаправленно управлять процессом самоорганизации этих фрактальных структур и имеется возможность только в очень общем виде предсказывать их характер.
Схожие результаты получаются при применении в качестве подложки монокристаллического кремния и конденсации титана, никеля и нитрида
Рис. 1. Окончание.
титана, хотя при этом имеются свои особенности, которые предполагается обсудить в следующей работе. Исследование полученных пленок методами ЭПР и РФА показали их идентичность по составу с обычными субмикронными пленками, получаемыми без воздействия ФМС. Применение метода термического вакуумного напыления для конденсации вышеперечисленных пленочных структур показало, что воздействие ФМС на процессы зарождения и роста пленок также имеет место, хотя энерге-
тика процесса термического вакуумного напыления существенно отличается от энергетики магнетронного распыления. Однако при термическом вакуумном напылении характер получаемых фрактальных структур несколько иной и не отмечается такого большого их разнообразия.
На рис. 2а показано РЭМ изображение топологии пленок, полученных магнетронным методом под воздействием ФМС. Особый интерес представляют локальные участки, соответствую-
(а)
SE 26-Oct-02
WD 4.3 мм 15.0 кВ x3.0k 10 мкм
Рис. 2. Микрофотографии фрактальных структур, полученные с помощью РЭМ (а-в) и АСМ (г-е).
щие вскрытым куполам, поскольку под куполом наблюдается образовавшаяся структура следующей степени фрактальности. На рис. 26, 2в представлены микрофотографии профилей пленки, соответствующих вскрытым участкам. Как показали наши исследования, такая многослойная структура образуется одновременно, а не имеет место образование и рост новых пленочных структур на подложке после вскрытия купола.
Более углубленное исследование получаемых фрактальных структур методами АСМ показало, что и при таких степенях увеличения структура пленки, получаемая без воздействия ФМС (рис. 2г), существенно отличается от структур, получаемых под их воздействием (рис. 2д, 2е). Куполообразные структуры оказываются "засеянными" на поверхности значительно более мелкими куполообразными структурами, причем в расположении
(в)
Рис. 2. Продолжение.
как больших куполов, так и мелких образований просматриваются элементы упорядоченности.
ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Полученные в данной работе под воздействием ФМС наноразмерные пленки меди, титана и никеля обладают явно выраженной фрактальной
структурой, причем образованные тонкопленочные структуры имеют трехмерный характер, оторваны от подложки и образуют элементы куполообразной, полусферической, тороидальной формы и ряд других. При этом значительная часть пленки, а в центральной зоне подавляющая, отслоена от подложки, "висит" в воздухе и фиксируется на подложке за счет адгезии оставшейся незначи-
(д)
0
Рис. 2. Окончание.
тельной части. Из этого можно сделать вывод, что адгезия пленки, зафиксированной на подложке, является исключительно хорошей. Возникает вопрос об адгезии той части пленки, которая отслоилась и
образовала фрактальные структуры столь разнообразного характера. При обсуждении этого вопроса у авторов возникают два варианта, отражающих несколько противоположные точки зрения.
Согласно первому подходу образование куполов и прочих трехмерных структур связано с нарушением адгезии материала наносимого покрытия к подложке. При этом возникновение куполов (и прочих структур) возможно связано с локальным газовыделением из подложки в процессе конденсации пленки. При магнетронном распылении пленок, как правило, в зоне высоко-ионизованной плазмы влияние заряженных частиц оказывает решающее значение на свойства получаемых покрытий [9]. Архитектура каждой системы отличается своими особенностями. Наличие большого количества заряженных частиц (ионы рабочего газа, ионизированные атомы распыляемого материала, электроны с энергиями вплоть до сотен кэВ) обуславливают рост формирующейся структуры в присутствии большого количества скрещенных электромагнитных полей. Воздействие ФМС формирует центры зародыше-образования, коррелирующие со структурой матрицы ФМС. На начальной стадии зародышеобра-зования энергетически выгодные точки осаждения ионов находятся на пересечении полей, формируемых ФМС.
Дальнейший рост пленок происходит по следующей схеме: увеличение размера зародыша приводит к концентрации локальных электрических полей и разогреву конденсирующейся пленки за счет интенсивного потока заряженных частиц. Местный перегрев поверхности раздела пленка-подложка приводит к выделению адсорбированных на поверхности и абсорбированны
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.