摘要

  500-1000 eV Ar+离子刻蚀会导致不同深度的损伤, “正常”损伤和离子渗透深度是一致的,<10nm. “异常”损伤可以由升高的靶温度造成, “异常”损伤>>10nm . 我们测到的损伤深度显示2种损伤的分界点在靶温与溶化温度比为0.25的时候.理解了靶温与损伤深度的关系,有利于控制或避免深的异常的损伤.

介绍

  500-1000 eV的宽幅Ar+离子被广泛用来刻蚀靶材。当离子能量有几百eV或更高时,在刻蚀表面下会产生一个变层。正常的或者说可以预见的变层厚度是<10nm,这个可以认为是轰击或者说撞击造成的。这个层是非晶态结构,包含植入的Ar，一般认为是与离子渗透深度一致的。轰击后的退火,会在这个变层的下面重新生成次损伤结构,同时排出Ar。材料不同,离子能量,碰撞角度,测量方式都会影响到变层的深度,但一旦条件相同,结果也相同。

    在同样Ar+离子能量下,异常变层的深度是>10nm,经常>>10nm。异常变层没有晶体结构,包括深度缺陷和植入的Ar,退火也不会消除这些缺陷和Ar。损伤深度很难定义,受几个因素影响,变动很大，其中一个就是损伤深度的定义是否包括全部或部分损伤。异常变层中的更深部位损伤,应该是由离子轰击中的退火过程产生的。这种退火导致了晶体结构中的部分再生,抓入了部分植入的Ar,同时把损伤带入到结构中来。异常变层的损伤深度,不能用正常的扩散过程来解释。同时显示,由植入的Ar引起的缺陷,超出离子的渗透深度。

    从磁控镀膜上观察到了同等条件下由离子轰击引起退火的现象。在低气压背景下,基材温度与基材溶化温度之比K/K超过0.3 ，在纹理边界产生了完整的膜。要在高气压背景下获得同样完整的膜,需要增加K/K值。原因是背景气体干扰了沉积膜。下面作者会解释背景气压的影响。高气压减少了溅射离子到达沉积基板的能量,所以在高气压下,需要更高的基板温度来补偿离子能量损失。

温度比率关系

    用早先的磁控溅射作例子,收集温度与损伤深度的关系数据。用离子来刻蚀,重要的是离子束靶材温度,所以用到的是靶材温度与靶材溶化温度比T/T。现有的几个损伤深度数据是有限的,必须要用500-1000eV能量Ar+离子做正常撞击,在不同材料和不同温度比下,得出合理数量的损伤深度数据。材料有: Ge, Si, 化合物GaAs, InAs, InP, InSb和SiC。

    材料温度比接近0.25在相关性中很重要,要进一步解释。以前认为靶材温度在损伤深度研究中不重要,因为以前根本就没有这个数据。幸运的是,比率在0.25左右的情况下时,离子电流密度只有几uA/cm2 , 或者总电流只有几uA 时，有损伤深度记录。在输入电流这么小的情况, 甚至在缺少冷却的情况下,也可以假设靶材温度为30±10℃ 。温度比----------,一个例外是InAs,用的电流密度为200uA，测温度的方法不一样。

    图1中的相关性显示怎样区分正常和异常损伤深度。所有正常损伤深度(<10nm)的靶材温度和靶材溶化温度比等于或小于0.25,而异常损伤深度(>10nm)的温度比都等于或大于0.25。损伤深度<10nm认为是500-1000eV Ar+离子轰击的结果。在高温度比下产生的更深的损伤是关注的重点。

讨论

   在离子刻蚀中，高的基材温度会产生异常损伤。在磁控溅射中，高的基材温度可以产生致密的高强度的膜，这种矛盾很容易解释。

    小于100eV的能量离子渗透很少。在磁控镀膜中，轰击退火是由溅镀离子的能量引起的，能量范围在几eV到几十eV。没有轰击离子的渗透损伤，轰击退火也能发生。有没有渗透都会有轰击退火，这样的好处不仅只在磁控镀膜中：≤100eV Ar+离子渗透很少，使得这种能量的离子对增加致密度很有用，在离子辅助镀膜中产生低缺陷膜。

    在离子刻蚀中，Ar+离子没有足够能量，很难产生有效的刻蚀率，大部分离子也很难渗透进靶材表面。如果靶材足够热，在刻蚀时会产生轰击退火。但如果同时离子也产生了渗透，那退火过程会抓住进入的Ar。超出异常损伤层的损伤，是由Ar及Ar引起的缺陷导致的。

结论

 一些化合物在刻蚀表面出现元素分离，同时出现不需要的物质表面。典型的例子是InP, InP这种结构是低能量溅镀形成In导致的。这种表面结构同时伴随远深于10nm正常变层的损伤。暗示的顺序是：1）至少一种元素的分离，2）分离引起纹理变化，3）纹理变化伴随或导致损伤。

    一个用液氮冷却样靶的实验是可信的，用液氮冷却后，刻蚀表面更光滑，刻蚀表面下的损伤大幅减少。

     据推测，InP物质形成的顺序是这样的：1）T/T足够引起刻蚀表面比正常损伤更深的损伤，2）这些深度损伤扩散，使得刻蚀表面的化合物分离，3）化合物的分离，反过来形成新的表面物质。进一步推测，如果没有深度损伤，化合物的分离程度等于或小于正常变层的厚度。

     一些用过几年离子束的人应该会意识到这个技术是多么丰富和复杂。找到第二种顺序来解释低溶化温度下化合物和合金的生成是不可能的。另外，如果有不能解释的或别的物质在多元素靶中出现，我们就要考虑过高温度比率的可能。