Изучение поверхности структур металл / кремний, полученных ионно-ассистируемым осаждением покрытий в вакууме

Abstract

В работе обсуждаются экспериментальные результаты по изучению распределения элементов в приповерхностных слоях Me/Si-структур (Me = Ti, Zr, Mo), сформированных методом ионно-ассистируемого осаждения в вакууме. Этот метод заключается в осаждении покрытия на подложку, в процессе которого поверхность формируемой структуры облучается пучком ускоренных ионов. Время осаждения покрытий составляло 1−6 ч при ускоряющем напряжении U = 5‒10 кВ и плотности ионного тока ∼4−10 мкА/см2. В рабочей камере в процессе осаждения покрытий поддерживался вакуум при давлении ~10−2 Па. Средняя скорость нанесения покрытия находилась в пределах 0,2−0,4 нм/мин. Отношение Ji /Jа плотности потока Ji ассистирующих ионов к плотности потока Jа нейтральных атомов составляло 0,2−0,5, что соответствует условию роста покрытия на подложке. Состав и распределение элементов по глубине в сформированных покрытиях изучались методом резерфордовского обратного рассеяния ионов гелия в сочетании с компьютерным моделированием RUMP и методом резонансных ядерных реакций. Механические свойства поверхности сформированных структур изучались при помощи наноиндентирования, топография поверхности образцов – сканирующим атомно-силовым микроскопом. Исследования Me/Si-структур, проведенные с применением метода резерфордовского обратного рассеяния и метода резонансных ядерных реакций, показали, что сформированные структуры содержат атомы осажденного металла (∼5 ат. %), атомы кремния из подложки (10‒15 ат. %), атомы технологических примесей углерода (20‒25 ат. %), кислорода (10‒15 ат. %) и водорода (30‒40 ат. %). Источником технологических примесей является летучая фракция углеводородов вакуумного масла диффузионного паромасляного насоса. Установлено, что нанотвердость поверхности Me/Si-структур на глубине ∼50 нм превышает нанотвердость чистого кремния в ∼5 раз, а на глубине ∼100 нм ‒ в 3 раза. Увеличение твердости поверхности полученных структур приводит к уменьшению ее модуля Юнга в 5‒10 раз. При дальнейшем увеличении глубины индентирования твердость модифицированной поверхности и модуль Юнга приближаются к характеристикам поверхности немодифицированного кремния. Исследование топографии поверхности образцов показало, что шероховатость поверхности немодифицированного кремния очень незначительна и составляет ∼0,2 нм. Шероховатость сформированных Ме/Si-структур увеличивается до 0,3‒0,7 нм в зависимости от металла основы покрытия, а полная площадь поверхности образца практически не отличается от его проективной площади