WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 2 02;10;11;12 Влияние процесса ионного распыления на статистические характеристики поверхности 1 © А.В. Меркулов, О.А. Меркулова2 1 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия 2 Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Поcтупило в Редакцию 10 июля 1997 г.) Исследовалась модификация поверхности арсенида галия во время облучения тяжелыми ионами цезия Cs+ путем измерения распределения высот поверхностей образцов атомно-силовым микроскопом. Наблюдалось как увеличение, так и уменьшение интегрального параметра -среднеквадратичной высоты. Установлено, что в латеральном диапазоне 1-100 nm шероховатость поверхности арсенида галия увеличивается для всех исследуемых образцов. Анализ структурной функции позволил оценить характерные латеральные размеры поверхностных структур, возникающих в процессе ионного травления.

Введение Методика эксперимента Ионное травление в комбинации с поверхностно- В данной работе исследовались образцы арсенида чувствительными методами является одним из основных галия, легированного дельта-слоями индия, выращенные методов, используемых при исследовании распределения методом молекулярно-пучковой эпитаксии (образец 1), основных и примесных элементов полупроводниковых и образцы арсенида галия, легированного дельта-слоями приборов по глубине. Однако ионная бомбардировка германия, выращенные путем магнетронного распылеприводит к изменению поверхностной топографии. При ния (образцы 2–4). Отметим, что поверхности образнизкоэнергетичном ионном травлении поверхности процов 2–4 менее гладкие, чем поверхность образца 1, исходит конусообразование и в некоторых случаях при по-видимому, вследствие недостатков, присущих методу скользящих углах падения образование ручьевой струкмагнетронного распыления. Их среднеквадратичные вытуры [1]. Для более детального понимания этих изменесоты равны соответственно 7.6-18 и 1.4 nm. Образцы ний необходимо изучение влияния различных условий подвергались облучению ионами цезия Cs+ с энергиоблучения на модификацию микрорельефа. Ранее эти ей Ep = 3 keV и углом падения к поверхностной особенности в основном изучались электронной минормали 40 с целью изучения развития топографии кроскопией [2] либо оже-электронной спектроскопией, поверхности в зависимости от дозы ионного облучения.

рентгеновской электронной спектроскопией и вторичноРаспределение высот поверхностного микрорельефа изэлектронной спектроскопией [3]. Но все они неадемерялось атомно-силовым микроскопом Autoprobe-CP с кватно отражают трехмерную топографию поверхности.

иглой, имеющей радиус закругления около 10 nm. Из поС появлением сканирующего туннельного микроскопа лученной карты распределения высот вычислялись стаи атомно-силового микроскопа (AFM) стало возможно тистические характеристики микрорельефа. AFM-карты получать трехмерный образ поверхности, который может поверхностей имели разрешение 512 512 пиксел. С быть использован для количественной характеристики изменений поверхностной морфологии при ионной бом- изменением длины сканирования (базовой длины измебардировке. Измерения AFM позволяют получить высо- рения L) автоматически измерялся шаг дискретизации.

кое латеральное и высотное разрешение, делая его иде- Для сравнительного анализа производились измерения альным инструментом исследования достаточно гладких участков поверхностей размером 5 5 µm и шагом полупроводниковых поверхностей. Однако в подобных дискретизации 10 nm.

исследованиях [4–6] зачастую авторы ограничиваются лишь измерением среднеквадратичной высоты шерохоРезультаты и обсуждение ватости, что не несет информации о структуре поверхности. Целью данной работы является выявление стаОбычно в подобных измерениях считается, что статистических параметров микрорельефа полупроводникотистические параметры поверхности несут только качевых структур, полученных при ионном облучении, котоственную или относительную информацию, все они завирые адекватно описывают поверхностную топографию.

сят от масштаба измерений, т. е. от разрешения инструПрименение статистического подхода к исследованию мента и базовой длины измерения [7]. Необходимо также таких структур позволит в дальнейшем моделировать как поверхности, возникающие в процессе ионной бомбарди- принимать во внимание наличие приборных эффектов ровки, так и физико-химические процессы, сопровожда- AFM-измерений. Параметры AFM-карт поверхностей до ющие ионное облучение. и после ионного облучения представлены на рис. 1. По 108 А.В. Меркулов, О.А. Меркулова Рис. 1. AFM-карты поверхностей образцов 2 и 1 для различных доз ионного излучения: a–d — образец 2, e–f — образец 1;

a, e — начальная поверхность; доза, cm-2: b —3.3 · 1017, c —6.6 · 1017, d —2.7 · 1018, f —4.6 · 1017.

ним вычислялись высотные характеристики поверхно- Обнаружено, что на рассматриваемом поверхностном сти, плотность распределения вероятностей высот P(h) масштабе все поверхности имеют близкий к гауссовому тип функций плотности распределения вероятностей выи среднеквадратичная высота сот, которые в свою очередь могут быть аппроксимироN ваны ортоганальным набором функций Эрмита [8]. На рис. 2 представлены плотности распределения вероят = (hi - h)2, (1) N - ностей высот, приближенные полиномами Эрмита, для i=поверхностей, модифицированных различными ионными где hi — высота в точке, h — средняя высота по дозами. Зависимость среднеквадратичной высоты от дозы поверхности, N — число точек. показана на рис. 3 и носит экспоненциальный характер.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. Влияние процесса ионного распыления на статистические характеристики поверхности ления, изначально имеющие более высокие значения дисперсии высот, ионное травление оказывает полирующее воздействие, а шероховатость образца, полученного молекулярно-пучковой эпитаксией, наоборот, ухудшается.

Наряду с высотными характеристиками вычислялись латеральные параметры поверхностной широховатости, несущие информацию о структуре поверхности, квазидвумерные корреляционные и структурные функции поверхности Cor ( ) = h(x)h(x + ), (2) Ctr2 ( ) = h(x + ) - h(x). (3) Здесь — статистическое усреднение по длине. Квазидвумерные — это значит, что при вычислении этих функций усреднение производилось по каждой строке измерений, а затем все усреднялось. Автором работы [7] показано, что значения двумерных и квазидвумерных Рис. 2. Плотности распределения вероятностей высот P(h) латеральных функций поверхности почти эквивалентны, поверхностей, модифицированных различными дозами ионного а время вычислений, необходимое для них, различается облучения (образец 2).

очень сильно. Следует отметить, что значения корреляционной функции зависят от длины измерения и шага дискретизации. Достоверными можно считать измерения на длине, превышающей корреляционную длину, определенную как пересечение корреляционной функции с нулем, более чем в 10 раз [8]. Этот факт иллюстрирует рис. 4, на котором приведены примеры корреляционных функций образца 1, измеренные для различных шагов дискретизации и соответственно разных базовых длин L.

Применим фрактальный подход к описанию исследуемых поверхностей. Из-за физических ограничений Рис. 3. Зависимость среднеквадратичной высоты от дозы ионного облучения для различных образцов (номера кривых соответствуют номерам образцов).

Подобный эффект (экспоненциальная зависимость среднеквадратичной высоты от дозы ионного облучения) наблюдался при облучении InP ионами Ar+ при малых энергиях [6], но для поверхностей InP авторы наблюдали лишь экспоненциальный рост, тогда как в данном случае наблюдаются как экспоненциальный рост, так и экспоненциальное убывание в процессе ионной модификации, Таким образом, можно предположить, что Рис. 4. Корреляционные функции образца 1 (начальная на образцы, выращенные методом магнетронного распы- поверхность), измеренные при различных базовых длинах L.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 110 А.В. Меркулов, О.А. Меркулова поверхность может показывать фрактальное поведение лишь на ограниченных масштабах длин. Известно, что для самоаффинных поверхностей, т. е. поверхностей, инвариантных относительно масштабного преобразования в латеральном направлении, справедливо следующее соотношение:

Str ( ) | |H, (4) = где H — самоаффинная экспонента, или параметр Херста.

Кроме того, существует понятие фрактальной размерности поверхности D = 3 - H и для физических поверхностей D лежит в диапазоне 2 d 3. Параметр D отражает меру шероховатости поверхности [7].

Структурная функция фрактальной поверхности, построенная в двойных логарифмических координатах, должна быть линейна, и ее наклон пропорционален фрактальной размерности поверхности. Структурные функции образца 1, измеренные для разных областей сканирования, показаны на рис. 5. Кривые совпадают друг с другом на пересекающемся участке = 1-100 nm, их Рис. 6. Структурные функции образца 2, измеренные для наклон не зависит от масштаба измерений и, значит, они различных доз ионного облучения: • — начальная поверхколичественно характеризуют состояние поверхности.

ность (D = 2.100), — 3.27 · 1017 cm-2 (D = 2.130), Было исследовано изменение фрактальной размерности —4.91 · 1017 cm-2 (D = 2.153), — 6.55 · 1017 cm-во время ионного травления. Для образца 1 параметр D (D = 2.163), —2.70 · 1018 cm-2 (D = 2.222).

увеличивается от 2.088 до 2.215; точность полученных значений = ±0.007. Аналогичное поведение показывают все исследуемые поверхности. На рим. 6 привеРис. 7. Зависимость параметра D-фрактальной размерности от дозы ионного облучения: — образец 1, — образец 2, + — образец 3, • — образец 4.

дены структурные функции и фрактальные размерности поверхностей образца 2 для начальной поверхности и для поверхностей, подвергшихся облучению различными ионными дозами. Приведенная же на рис. 7 зависимость Рис. 5. Структурные функции образца 1, измеренные при разфрактальной размерности от дозы позволяет сделать личных базовых длинах L для поверхностей до (a) и после (b) вывод о том, что для всех исследуемых образцов в диапаионного травления.

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. Влияние процесса ионного распыления на статистические характеристики поверхности зоне длин 1-100 nm фрактальная размерность увеличи- Список литературы вается во время травления, т. е. на этих масштабах длин [1] Johan B. Mahnerbe. // Critical Reviews in Solid State and поверхностная шероховатость арсенида галия увеличиваMaterial Science. 1994. Vol. 24 (3). P. 141–146.

ется при бомбардировке ионами цезия. Это увеличение [2] Ion Bombardment Modification of Surfaces. Fundamentals and шероховатости соответствует развитию на поверхности Applications / Ed. O. Auciello, R. Kelly. Elsevier, 1984.

бугорков с характерным диаметром до 100 nm, появле[3] Yoshukazu Homma, Hamao Okamota, Yoshukazu Ishii // ние которых хорошо видно на AFM-картах (рис. 1, d, f ).

Jap. J. Appl. Phys. 1985. Vol. 24 (8). P. 934–939.

Измеренные же значения характеризуют шерохова[4] Demanet C.M., Vijaya Sankar K., Mahnerbe J.B. at al. Surface тость большего масштаба, для образца 1 эта шероховаand Interface Analysis. 1996. Vol. 24. P. 497–502.

тость увеличивается, а для образцов 2–4 уменьшается, [5] Demanet C.M., Vijaya Sankar K., Mahnerbe J.B. // Surface что говорит о наличии некоторого процесса, приводя- and Interface Analysis. 1996. Vol. 24. P. 503–510.

щего к сглаживанию поверхности. Сходное поведение [6] Demanet C.M., Vijaya Sankar K., Mahnerbe J.B., Van der Berg N.G. // Surface and Interface Analysis. 1995.

статистических параметров поверхности при ионном Vol. 23. P. 433–439.

облучении, т. е. уменьшение широховатости на большом [7] Almqvist N. // Surf. Sci. 1996. Vol. 355. P. 221–228.

масштабе и увеличение на малом, наблюдалось авторами [8] Ogilvi J.A., Foster J.R. // J. Phys. D. 1989. Vol. 22. P. 1243– работы [9]. И вынесенный ими в заглавии вопрос:

1251.

”Ионное травление: шероховатость увеличивается или [9] Csahok Z., Farkas Z., Menyharg M. et al. // Surf. Sci. Lett.

уменьшается” свидетельствует о неоднозначности изме1996. Vol. 364. P. 600–604.

ряемых интегральных статистических параметров. Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что при ионном травлении присутствуют по крайней мере два различных процесса, приводящих к модификации поверхностной шероховатости: 1) ионная полировка поверхности, 2) возникновение случайных поверхностных структур. Таким образом, поведение структурной функции помогает оценить характерные латеральные размеры процессов, сопровождающих ионное травление.

Выводы В работе исследовалась модификация поверхности арсенида галия во время облучения тяжелыми ионами цезия Cs+ путем измерения распределения высот поверхностей образцов атомно-силовым микроскопом с их последующей статистической обработкой. Наблюдалось как увеличение, так и уменьшение интегрального параметра -среднеквадратичной высоты. Анализировались латеральные статистические характеристики поверхностей, такие как корреляционная и структурная функции.

Обнаружено, что корреляционная длина, определенная как пересечение корреляционной функции с нулем, в интересующем диапазоне длин зависит от базовой длины измерения. Структурная функция, построенная в двойных логарифмических координатах, имеет линейный участок, наклон которого не зависит от условий измерения, а определяется только шероховатостью поверхности на этом участке. Установлено, что в латеральном диапазоне 1-100 nm шероховатость поверхности арсенида галия увеличивается для всех исследуемых образцов.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что при ионном травлении присутствуют по крайней мере два различных процесса, приводящих к модификации поверхностной шероховатости. Анализ структурной функции позволил оценить характерные латеральные размеры процессов, сопровождающих ионное травление, и определить степень детализации каждого из них при последующем моделировании.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.