Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности растворения материалов, подвергнутых радиационному облучению .
1.1. Изменение физико-химических свойств диоксида кремния после ионной имплантации 14
1.2. Использование атомно-силовой микроскопии для изучения материалов после имплантации . 23
1.3. Практическое применение радиационно- стимулированного травления. 29
1.4. Методики определения скорости растворения тонких пленок. 36
Глава 2. Методики исследования процессов растворения с помощью атомно-силового микроскопа .
2.1. Конструктивные особенности атомно-силовых микроскопов и жидкостных ячеек для проведения исследования процессов растворения in situ. 40
2.2. Подготовка образцов для проведения исследования процессов растворения с помощью атомно-силового микроскопа . 48
2.3. Проведение исследования процессов растворения методом многократного сканирования. 55
2.4. Проведение исследования процессов растворения методом однократного сканирования. 61
Глава 3. Применение компьютерного моделирования при изучении радиационно-стимулированного растворения .
3.1. Реконструкция полученных АСМ изображений с помощью метода численной деконволюции . 70
3.2. Создание виртуальных наноструктур и моделирование процесса их растворения. 79
3.3. Моделирование распределения внедренных ионов и дефектов в имплантированном слое. 88
Глава 4. Изучение радиационно-стимулированного растворения диоксида кремния с помощью атомно-силового микроскопа .
4.1. Исследования процессов растворения имплантированного диоксида кремния. 100
4.2. Исследование процессов растворения наноструктурированного диоксида кремния, полученного после имплантации ионов Fe+. 109
4.3. Визуализация треков оставшихся после бомбардировки диоксида кремния отдельными высокоэнергичными ионами . 119
4.4. Механизмы радиационно-стимулированного растворения диоксида кремния. 126
Заключение. 137
Список публикаций автора. 139
Список цитируемой литературы. 144
- Использование атомно-силовой микроскопии для изучения материалов после имплантации
- Подготовка образцов для проведения исследования процессов растворения с помощью атомно-силового микроскопа
- Реконструкция полученных АСМ изображений с помощью метода численной деконволюции
- Визуализация треков оставшихся после бомбардировки диоксида кремния отдельными высокоэнергичными ионами
Введение к работе
Радиационное облучение приповерхностного слоя материала ионами различной энергии и массы, обычно через защитную маску, и его последующее химическое или электрохимическое травление с целью создания структур с заранее заданными свойствами и формами широко используется в современной микроэлектронике [1,2].
В результате облучения могут изменяться как состав, так и физико-химические свойства имплантированного приповерхностного слоя [3,4]. В частности, во многих случаях существенно возрастает скорость его жидкостного травления по сравнению с необ л ученным материалом. Этот эффект характерен для различных твердых тел (кристаллов, стекол, полимеров) и находит все более широкое применение, начиная от создания так называемых ядерных фильтров, в которых формируют сквозные микро- и нанопоры за счет преимущественного растворения вещества вдоль трека — траектории проникновения отдельного иона в мишень [5], до формирования с помощью селективного травления поверхности микроструктур заданной конфигурации и высоты [6]. В последнем случае при травлении или во время облучения образца используется система масок, защищающих определенные участки поверхности [7].
Все большая миниатюризация микроэлектронных устройств и приборов и все более жесткие требования к качеству их изготовления требуют от исследователей разработки новых методов по контролю над процессами изготовления этих устройств. Причем необходимы не только разработка новых технологических подходов, но и фундаментальные исследования природы процессов, используемых для изготовления таких устройств. Поэтому оказывается необходимой разработка моделей происходящих процессов с
использованием как физических, так и химических подходов и применение все более высокоточной аппаратуры для проведения исследований.
Сканирующая зондовая микроскопия в последнее время все шире и шире
применяется для изучения проблем, связанных с изготовлением новых
микроэлектронных устройств [8,9]. После появления первых работ по
сканирующей туннельной микроскопии [10,11] данный метод получил столь
стремительное развитие, что на сегодняшний день почти во всех крупных
научно-исследовательских институтах существуют группы, занимающиеся
проблемами сканирующей зондовой микроскопии. Кроме того, сканирующая
зондовая микроскопия все шире применяется непосредственно для контроля за
качеством производимой микроэлектронной продукции. Число публикаций по
этой теме так же стремительно увеличивается [12,13] и затрагивает все новые и
новые области науки [14]. .
Это связано со многими факторами. Во-первых, сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) позволяет получать реальное трехмерное изображение поверхности с очень высоким пространственным разрешением. В отдельных благоприятных случаях оно достигает атомарного. Причем измерения могут проводиться как на воздухе, так и в вакууме, и непосредственно в жидкой среде. Во-вторых, игла СЗМ может быть использована в качестве манипулятора, с помощью которого можно создавать на поверхности различные микро- и наноструктуры. В-третьих, при помощи СЗМ можно изучать не только топографию поверхности;, но и другие ее характеристики, такие как: распределение заряда, магнитные свойства, распределение температуры, оптические свойства [15]. Обычно для изучения морфологии поверхности используют одну из модификаций СЗМ - атомно-силовой микроскоп (АСМ).
Все вышеизложенное характеризует актуальность использования АСМ для изучения процессов, происходящих на поверхности твердого тела при его
растворении. Причем, в связи с тем, что атомно-силовая микроскопия достаточно новый метод, необходимо также разработать методики для контроля над этими процессами. При этом наиболее интересными для изучения являются наноструктурированные материалы, что связано с возможностью работы АСМ с очень высоким разрешением.
На сегодняшний день одним из основных материалов, используемых в
микроэлектронике является диоксид кремния (Si02). Он применяется как для
защиты поверхности на различных технологических этапах, так и
непосредственно в полупроводниковых приборах для электрической изоляции и
защиты от внешних воздействий, что связано с его высокой химической
устойчивостью. Стремительная тенденция к миниатюризации
микроэлектронных устройств заставляет применять все более тонкие слои SiC>2 для защиты и изоляции различных деталей, и требования к точности контроля над параметрами защитных пленок возрастают. Все это послужило основанием для выбора диоксида кремния в качестве объекта исследования в данной работе.
Несмотря на широту технологического применения эффекта радиационно-стимулированного растворения (существенного увеличения скорости жидкостного травления вещества, подвергнутого ионному облучению), природа этого явления в Si02 еще не достаточно ясна. Обычно это явление связывают с формированием вдоль траектории проникновения иона в мишень большого числа дефектов и целых областей (кластеров) с нарушенной структурой, содержащих высокую концентрацию радиационных дефектов различного типа [2,7]. Однако однозначного ответа на вопрос о том, какие же именно дефекты отвечают за процессы радиационно-стимулированного растворения, пока нет. Это связано, в первую очередь, со сложностью в расшифровке внутреннего строения диоксида кремния. Известно, что аморфный
SiC>2 состоит из кремний-кислородных тетраэдров, но остается непонятным, как эти тетраэдры ориентированы друг относительно друга на расстояниях много больших расстояния между атомами Si и О [16]. Поэтому привлечение атомно-силовой микроскопии к исследованиям радиационно-стимулированного увеличения скорости растворения S1O2 как еще одного метода, может внести существенный вклад в понимание этого процесса.
Изобретение сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) и последовавшие за ним разработки целого семейства СЗМ позволили сделать еще один шаг в сторону увеличения точности и дали возможность получать реальное трехмерное топографическое изображение поверхности. Наиболее точным и простым в эксплуатации прибором в семействе сканирующих зондовых микроскопов, который позволяет изучать поверхность твердого тела, является АСМ [13]. Он может работать как с проводящими, так и с непроводящими материалами. АСМ позволяет получать трехмерное изображение поверхности с разрешением до одного нанометра, а в некоторых благоприятных случаях и выше (вплоть до атомарного).
Однако АСМ не может напрямую исследовать свойства и характеристики более глубоких слоев материала, что особенно существенно для изучения имплантированных приповерхностных слоев. Решением этой проблемы является методика послойного удаления (травления) материала на заданную глубину и получение каждый раз нового АСМ изображения поверхности образца после его травления. Травление может быть как жидкостным, так и плазменным [17]. Анализ всего набора последовательно полученных АСМ изображений позволяет охарактеризовать свойства заглубленных имплантированных слоев, а с использованием компьютерных методов обработки данных получать изображения, отражающие объемную структуру
образца. В последнем случае можно говорить о нанотомографии с помощью АСМ[17].
У АСМ есть еще одно достоинство, которое позволяет сделать принципиально новый шаг в контроле за процессами химического травления поверхностей в микро- и наномасштабе. С помощью АСМ можно проводить измерения с нанометровым разрешением непосредственно в жидкой среде, когда образец и микрозонд микроскопа полностью погружены в раствор, в режиме реального времени, так называемые методики in situ [18]. Это открывает дополнительные возможности для исследования физико-химических процессов на границе жидкость - твердое тело. В частности, путем последовательного получения с помощью АСМ изображений одного и того же участка поверхности, можно в реальном масштабе времени наблюдать за трансформацией поверхности твердого тела при его травлении или росте из раствора [19,20]. Таким образом, появляется возможность непосредственно контролировать процесс растворения во время его хода и фиксировать во времени такие переходные моменты, важные с точки зрения технологии производства микроэлектронных приборов, как момент завершения растворения имплантированного слоя или момент окончания формирования окон в S1O2.
Все вышеизложенное позволяет сформулировать цель данной работы: исследование процессов растворения твердого тела, подвергнутого радиационному облучению, методами сканирующей зондовой микроскопии на примере диоксида кремния.
Для этого в диссертационной работе решались следующие задачи: 1) Разработка новых методик по исследованию при помощи АСМ
изменений, происходящих в твердом теле при радиационном воздействии.
Определение скоростей растворения диоксида кремния, толщины
радиационно-поврежденного слоя, коэффициента распыления (распухания) облучаемого материала методами атомно-силовой микроскопии, распределения по глубине скорости растворения.
Совершенствование методов компьютерного моделирования процессов, происходящих при ионной имплантации и последующем растворении облученного материала. Применение этих методов для моделирования процессов, происходящих при растворении диоксида кремния после облучения различными ионами.
Физико-химическое обоснование причин радиационно-стимулированного увеличения скорости растворения диоксида кремния после облучения различными ионами.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Разработка новых методов изучения in situ с помощью атомно-силовой микроскопии кинетики жидкостного химического травления твердых тел, которые позволяют определять абсолютные и относительные скорости травления, оценивать толщину радиационно-поврежденного поверхностного слоя, наблюдать в реальном масштабе времени за трансформацией поверхности нано структурированных материалов при их селективном травлении, визуализировать структуру многофазных приповерхностных слоев.
Методика измерения скорости травления имплантированного и неимплантированного диоксида кремния в течение одного эксперимента, которая существенно снижает влияние различных факторов (наличие различных неконтролируемых примесей в травителе, температура раствора, концентрация кислоты), понижающих точность в определении относительной скорости растворения диоксида кремния.
Механизм, объясняющий увеличение скорости растворения имплантированного S1O2 с эффектом насыщения, когда увеличение скорости
растворения обусловлено перестройкой внутренней структуры Si02. При такой перестройке кольца из шести-девяти кремний-кислородных тетраэдров, из которых преимущественно состоит исходный Si02, разрушаются и образуются кольца, состоящие из трех-четырех тетраэдров. При этом заметно уменьшается энергия связи Si-O, что и приводит к увеличению скорости растворения имплантированного SiCh.
4. Механизм, объясняющий увеличение скорости растворения имплантированного Si02 без эффекта насыщения. В этом случае увеличение скорости растворения имплантированного Si02 связано с формированием в его приповерхностном слое другой фазы вещества (например, наночастиц железа), которая имеет скорость растворения в водных растворах HF, многократно превышающую скорость растворения Si02.
Основные результаты, представленные в диссертационной работе были получены впервые или независимо от других исследователей в лаборатории физики и химии поверхности КФТИ КазНЦ РАН непосредственно самим автором диссертации или при его непосредственном участии. Методики и некоторые результаты, полученные в этой работе при изучении процессов растворения, были включены в перечень основных результатов Российской Академии Наук в 1999 г.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Предложена новая методика для определения скорости растворения диоксида кремния после имплантации, которая в течении одного эксперимента позволяет определить скорость растворения имплантированного и неимплантированного Si02, и толщину радиационно-поврежденного слоя Si02.
Впервые при помощи АСМ исследован эффект радиационно-стимулированного растворения Si02j облученного ионами (С+, Ar+, Fe+, Р+) в интервале энергий от 20 до 40 кэВ и доз от 10й до 2х1017 ион/см2.
Впервые получены результаты по наблюдению растворения треков от отдельных ионов в диоксиде кремния при помощи атомно-силового микроскопа непосредственно во время процесса травления.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации доложены:
На Международных конференциях и совещаниях: International Symposium Nanostructures-99 (Russia, St.Petersburg, 1999); Scanning probe microscopy -2001, -2002 (Russia, Nizhny Novgorod, 2001, 2002); ECOSS-19 (Madrid, 2000), Micro- and nanoelectronics - 2003 (Russia, Moscow, 2003).
На Всероссийских конференциях, симпозиумах и совещаниях: X, XI симпозиумы по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (Черноголовка, 1997, 1999); XVII конференция по электронной микроскопии (Черноголовка, 1998); Микро- и наноэлектроника-98 (Звенигород, 1998); Зондовая микроскопия-99 (Нижний Новгород, 1999).
Материалы выступлений опубликованы в тезисах и трудах вышеперечисленных конференций.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, главы, посвященной обзору литературы, относящейся к теме диссертации, трех оригинальных глав, заключения, списка публикаций автора по теме диссертации, списка цитируемой литературы из 96 наименований. Общий объем работы 153 страницы машинописного текста, включая 26 рисунков и одну таблицу.
Во введении обоснована актуальность выбранной темы, дан краткий обзор содержания работы и приводятся выносимые на защиту положения.
В первой главе рассматриваются основные физико-химические принципы растворения твердых тел. Рассматриваются достоинства и недостатки
различных методик по наблюдению за скоростями растворения твердых тел. Приводятся данные, полученные другими авторами и посвященные изучению эффекта увеличения скорости растворения S1O2 после имплантации.
Во второй главе описываются жидкостные ячейки, применявшиеся в данной работе для проведения наблюдений непосредственно во время процесса растворения диоксида кремния. Дано описание образцов, которые исследовались в данной работе. Изложены разработанные методики по наблюдению ex situ и in situ при помощи АСМ за процессами растворения и распыления имплантированных пленок диоксида кремния.
В третьей главе рассматривается применение компьютерного моделирования как для улучшения полученных АСМ изображений, так и для интерпретации полученных результатов. Приводятся физические модели, положенные в основу компьютерных программ и общие алгоритмы работы этих программ.
В четвертой главе представлены полученные результаты по изучению радиационно-стимулированного растворения диоксида кремния. Приводятся данные по распределению скорости растворения по глубине. Предлагается модель структурных изменений, происходящих в диоксиде кремния при облучении и приводящих к увеличению скорости растворения диоксида кремния. Приводятся данные квантово-механических расчетов этих изменений.
Публикации.
Основные результаты диссертации отражены в 9 статьях, опубликованных в российских и зарубежных журналах, а также в материалах и тезисах вышеперечисленных конференций.
Личный вклад автора в опубликованных с соавторами работах:
разработка и апробация методик по наблюдению in situ за процессами растворения твердых тел с помощью АСМ;
проведение с их помощью экспериментальных исследований процессов растворения имплантированного и неимплантированного ЭЮг;
разработка программных средств по моделированию процессов растворения двухфазных систем;
анализ полученных результатов и их интерпретация.
Использование атомно-силовой микроскопии для изучения материалов после имплантации
К основным свойствам атомно-силового микроскопа, которые можно использовать для исследования материалов после ионной имплантации, следует отнести высокую разрешающую способность и возможность получать реальное трехмерное изображение поверхности. Кроме того, АСМ, изобретенный в 1985 году вслед за СТМ, появившимся в 1981, позволил проводить исследования как проводящих, так и непроводящих поверхностей [35]. Поэтому неудивительно, что за последнее десятилетие появилось очень большое количество работ [36], в которых АСМ использовался для изучения материалов после ионной имплантации.
АСМ оказался одним из лучших приборов для выявления следов от имплантации отдельного иона с высокой энергией в непроводящие материалы. До появления АСМ для этого обычно использовали селективное химическое травление и оптическую микроскопию. Данный подход имел ряд существенных недостатков. Один из них - низкая разрешающая способность оптического микроскопа, что не позволяло изучать начальные стадии растравливания треков. Кроме того, у такого подхода есть ограничения связанные с максимальной дозой облучения. Так как разрешающая способность оптического микроскопа имеет порядок 1 мкм, то доза облучения в идеальном случае не должна была превышать 10 ион/см . В реальном случае эти дозы оказывались еще ниже и, таким образом, можно было четко визуализировать треки при дозах порядка 104 ион/см2.
Применение для наблюдений электронных микроскопов позволяло раздвинуть дозовые границы, но, к сожалению, также вносило определенные ограничения, связанные с возможностью исследования только проводящих материалов. Как оптическая, так и электронная микроскопия позволяли получать только двухмерное изображение поверхности образца. Поэтому для получения достоверной информации о высоте образующегося при травлении рельефа приходилось получать изображение под разными углами и проводить математическую обработку полученных результатов. Кроме того, для получения снимков поверхности с помощью электронного микроскопа было необходимо работать с проводящими материалами.
В первых работах АСМ использовался при проведении исследований как дополнительный инструмент, а затем появились работы, где он уже являлся основным инструментом для проведения исследований. С его помощью исследовались материалы, содержащие скрытые (латентные) треки. Причем для визуализации этих треков уже не было необходимости прибегать к химическому растравливанию, как это делалось в случае с последующим оптическим наблюдением. Разрешающей способности АСМ оказалось достаточно для того, чтобы визуализировать латентные треки по тем изменениям, которые происходят с материалом внутри области этого трека [37], Кроме того, многими авторами с помощью АСМ наблюдались бугорки размером несколько нанометров, образующиеся на месте проникновения иона в материал [38,39]. Очень большое количество работ, выполненных при помощи АСМ по исследованию треков, не позволяет рассмотреть их все в пределах данной работы. Поэтому подробно остановимся лишь на некоторых из них.
Довольно большое количество работ по выявлению треков при помощи АСМ было проведено после имплантации ионов различной природы в слюду. Это связано с тем фактом, что слюда состоит из тетраэдров SKXt, которые объединены в гексагональные кольца диаметром 0,52 нм [13]. Этот материал легко расслаивается по атомарным плоскостям, что позволяет получать на нем АСМ изображения с молекулярным разрешением. Поэтому он часто используется при СЗМ измерениях в качестве тестового образца. Первые исследования латентных треков с помощью АСМ были опубликованы в работе [40]. В работе приводятся изображения трека для отдельного иона и зависимость диаметра трека от потерь энергии внедряемого иона. Показано, что область трека имеет микротвердость, отличную от микротвердости материала, и измеренный диаметр трека почти не зависит от силы взаимодействия АСМ иглы с образцом.
Также при помощи АСМ на воздухе были проведены исследования динамического коэффициента трения внутри и вне области латентного трека при помощи одновременной записи изображения в режиме топографии и измерения латеральных сил. Коэффициент трения для области трека оказался примерно в два раза больше внутри области трека, чем вне его при проведении измерений с помощью иглы из ЗізЬЦ [41]. Данные, полученные в этой работе, были объединены с данными, полученными в работах [42,43], и с данными рентгеновских исследований, и приведены в работе [44] в виде графика представляющего зависимость диаметра трека от потерь энергии имплантируемого иона.
В работе [45] для выявления треков в слюде после облучения ионами Ag (200 кэВ) используется селективное химическое травление образцов. С помощью такого подхода были выявлены ступеньки травления высотой 1 или 2 нм и было показано, что форма и высота получаемых ступенек внутри растравливаемого трека связана со структурой материала и зависит от ориентации осей кристалла относительно плоскости травления образца.
Подготовка образцов для проведения исследования процессов растворения с помощью атомно-силового микроскопа
Получение количественных параметров, характеризующих процессы растворения имплантированного слоя при помощи АСМ, имеют свои особенности, связаные со спецификой работы прибора и с точностью АСМ измерений. Регистрируя с помощью АСМ трехмерное изображение поверхности в процессе ее растворения, можно судить лишь об относительном изменении высоты формирующегося при травлении рельефа. Для получения с помощью АСМ абсолютных значений, например скорости травления или изменения толщины слоя, необходимо использовать специальные подготовленные структуры. Поэтому для проведения исследований процессов растворения пленок Si02 в водных растворах HF нами использовались два типа образцов.
Первый тип образцов представлял собой отдельные полоски Si02, которые были периодически расположены на подложке из кристаллического кремния (c-Si). Схематическое изображение образцов такого типа приведено на рис. 2,2а. Они были изготовлены при помощи фотолитографии, при этом полоски Si02 имели прямоугольное сечение с высотой ПО нм и шириной 1.5 мкм. Поскольку c-Si в HF не растворяется [74], то, измеряя высоту наблюдаемой ступеньки между ЗЮ2 и c-Si, можно было регистрировать абсолютные значения толщины Si02, и по его изменению в процессе травления судить о скорости растворения Si02. Таким образом, поверхность c-Si выступала в виде точки отсчета, относительно которой определялись абсолютные значения толщины слоя Si02.
С помощью таких структур измерения проводились на начальном этапе исследований скоростей растворения Si02 в водных растворах HF до и после ионной имплантации. Кроме того, на подобных структурах была проведена апробация предлагаемых методик по определению скоростей растворения, и полученные с их помощью данные сравнивались с данными других авторов.
Однако в процессе имплантации подобных структур ионному облучению подвергается не только 8Ю2, но и c-Si, расположенный между полосками Si02. При относительно небольших дозах облучения это не существенно для измерения скорости травления S1O2, однако, с увеличением дозы облучения c-Si может перейти в аморфное состояние (я-Si), в котором он уже может растворяться в HF [75]. Несмотря на то, что процесс растворения o-Si идет гораздо медленнее, чем процесс растворения S1O2, это может вносить определенные погрешности в полученные данные и не позволит, тем самым, изучать травление Si02 при больших дозах имплантации.
Кроме того, на образцах такого типа возможно и фототравление Si. Фототравление может быть обусловлено непрерывным излучением полупроводникового лазера (670 нм, 1 мВт), который используется для регистрации вертикальных перемещений кантилевера в СЗМ типа P4-SPM-MDT. Большая часть падающего на обратную сторону кантилевера излучения отражается от него, однако, поскольку диаметр лазерного пучка больше размеров кантилевера, часть излучения попадает и на образец (рис. 2.3а). При достаточно большом поле сканирования во время перемещения кантилевера относительно образца лазерное излучение может воздействовать на часть сканируемой области. При этом, как показали наши исследования, возможно фотостимулированное травление участков Si, расположенных между выступами из SiC 2. Данный эффект, скорее всего, связан с увеличением числа носителей заряда в приповерхностном слое кремния под действием света [76]. На полученных АСМ изображениях четко видно, как на поверхности Si формируются характерные канавки в тех местах, которые не были защищены пленкой Si02 (рис. 2.36).
Одновременное жидкостное травление S1O2 и фототравление Si не позволяет, измеряя высоту ступеньки между двумя этими областями, получать достоверные данные о скорости травления Si02. Поэтому АСЫ измерения проводились таким образом, чтобы исключить попадание света на область сканирования (для этого поле сканирования не превышало размеров 3x3 мкм). Кроме того, контролировалось отсутствие ступеньки между областями Si, находившимися под слоем S1O2 во время имплантации, и областями Si, подвергавшимся облучению после полного стравливания полосок Sid. При проведении ряда исследований с целью минимизировать возможное влияние лазерного излучения в перерывах между сканами лазерное излучение отключалось.
Для того, чтобы преодолеть ограничения на большие дозы облучения и получить возможность проводить измерения коэффициента распыления поверхности различными ионами, использовались образцы второго типа. Они представляли собой пластины c-Si, на которых был сформирован однородный слой Si02 (толщиной от 340 до 380 нм). Толщина этого слоя для каждого образца определялась индивидуально с помощью методики, которая будет описана ниже, и должна была превышать проецированный пробег имплантируемого иона. Сверху на поверхности Si02 с помощью фотолитографии была сформирована маска из фоторезиста в виде полосок шириной 1,3 мкм и высотой более 0,8 мкм с периодом 3,9 мкм, необходимая для защиты определенных областей образца во время имплантации (рис. 2.26). После имплантации маска из фоторезиста смывалась в растворе КОН или ацетоне. Таким образом, перед экспериментом образец представлял собой чередующиеся имплантированные и неимпл актированные области Si02 (рис. 2.26).
Реконструкция полученных АСМ изображений с помощью метода численной деконволюции
При проведении АСМ исследований с помощью предложенного метода многократного сканирования за все время растворения образца можно получить порядка 30-40 точек, характеризующих толщину слоя SiCb, оставшегося на поверхности Si при условии, что процесс полного стравливания пленки занимает примерно 60 минут. При более быстропротекающих процессах количество точек будет соответственно меньше. Кроме того, при работе таким методом не исключается влияние сил трения со стороны иголки на кинетику химического травления.
Для того, чтобы минимизировать влияние сил трения на кинетику химического травления и получить возможность более детально следить за процессом растворения, нами был предложен второй метод получения кинетических зависимостей - метод однократного сканирования. Наиболее сильно преимущества данного метода проявляются при исследовании быстропротекающих процессов.
Суть метода состоит в получении полного АСМ изображения (а не отдельных профилей, как в методе многократного сканирования) за такой промежуток времени, который немного превышает продолжительность процесса полного растворения пленки Si02 в водном растворе HF,
Поясним суть работы этого метода на примере проведения измерений на образцах первого типа, которые представляли собой полоски Si02 на поверхности Si. На таких образцах поле сканирования можно выбрать таким образом, чтобы одна из осей - X или Y - получаемого изображения была направлена вдоль полоски SiOj. При этом направление движения АСМ иглы при сканировании так же, как и при методе однократного сканирования, выбирается в направлении, перпендикулярном полоскам S1O2. Однако сам процесс сканирования длится немного дольше, чем время, необходимое для полного стравливания пленки Si02. Во время формирования АСМ изображения при каждом следующем скане игла проходит над новым участком выступа Si02, толщина которого уменьшается за счет растворения в HF, В результате АСМ изображение (рис. 2.5а) отражает постепенное уменьшение высоты выступа из Si02 при его растворении. Профиль АСМ изображения вдоль выделенного направления А-Б пропорционален зависимости h(t). При таком подходе к регистрации толщины ЭЮг влияние сил трения на процессы травления минимизируется, так как игла каждый раз прописывает новый участок.
Необходимо подчеркнуть, что для проведения исследований с помощью дашюго метода необходимы образцы, которые имеют равномерное распределение физико-химических параметров вдоль той оси измерения, на которой расстояние пропорционально времени. Кроме того, на этих образцах также должна находиться точка отсчета, относительно которой можно проводить абсолютные измерения высоты микрорельефа. У образцов первого типа в качестве такой точки отсчета выступает Si, на поверхности которого сформированы полоски из SiCh.
При таком подходе появляется возможность получать гораздо больше данных о быстропротекающих процессах. Это связано с тем, что количество профилей, прописанных перпендикулярно полоски из SiCb, может быть достаточно велико и обычно ограничивается только техническими возможностями прибора - то есть максимальным количеством точек в одном скане (в случае работы с прибором типа Р4 SPM максимальное количество точек равно 1000) и максимальной скоростью перемещения иглы над образцом, при которой возможна стабильная работа систем регистрации положения иглы и работа системы обратной связи. К преимуществам данного метода также следует отнести возможность более простой математической обработки полученных данных и более высокую точность измерений, так как усреднение полученных данных производится по такому количеству точек, которое обычно на порядок превышает количество точек, полученных с помощью метода многократного сканирования.
В связи со всем вышеперечисленным данный подход использовался в большинстве проводимых экспериментов по исследованию скоростей травления после ионной имплантации. Особенно актуальным было применение данного метода при исследовании распределения скоростей травления Si02 в зависимости от глубины залегания растворяющегося слоя после бомбардировки образцов средними и тяжелыми ионами, так как их пробеги в Si02 при энергиях порядка нескольких десятков кэВ достаточно малы.
При проведении подобных измерений также было важно исключить влияние неконтролируемых примесей в растворе HF на изменение скорости растворения Si02 после ионной имплантации. Как показали предварительные эксперименты, разброс скоростей травления неимплантированного SiC 2 мог составлять 50% для одной и той же концентрации растворов, приготовленных в разное время. Соответственно, вставал вопрос о возможности корректного сравнения изменений скорости растворения Si02 после имплантации ионами различной массы и энергии.
Для того, чтобы избежать влияния качества приготовленного раствора на скорость растворения имплантированного 8Ю2, полученные абсолютные зависимости скорости растворения слоя от глубины его залегания были отнормированны на скорость растворения неимплантированного Si02. Причем скорость растворения неимпланитированного Si02, на которую проводилась нормировка, измерялась во время проведения того же самого эксперимента. Для проведения подобных экспериментов использовались образцы второго типа.
Визуализация треков оставшихся после бомбардировки диоксида кремния отдельными высокоэнергичными ионами
Кроме очевидных достоинств, таких как получение реального трехмерного изображения поверхности и возможность работы непосредственно в жидкой среде, СЗМ, к сожалению, не лишен ряда недостатков, которые могут вносить определенные искажения в получаемые результаты [81]. Часть этих недостатков определяется нелинейными электрическими свойствами пьезокерамики, используемой для перемещения образца относительно иглы, что может привести к заметным изменениям горизонтальных размеров измеряемых структур. Для того чтобы устранить погрешности, связанные с пьезодвигателем, обычно используется компьютерная коррекция траектории перемещения зонда СЗМ вдоль поверхности. Параметры для компьютерной коррекции обычно определяются при помощи тестовых образцов, имеющих решетчатые или периодические структуры с заранее известными размерами [82],
Другой принципиальный недостаток обусловлен тем, что получаемое СЗМ изображение фактически является сверткой изображений зонда и изучаемой поверхности [83,84]. Это приводит к значительным искажениям в изображении структуры поверхности, особенно в тех случаях, когда размеры кончика зонда соизмеримы с размерами элементов микрорельефа [85].
Рассмотрим, как влияет форма иголки на получаемое изображение для простоты в двумерном случае (рис. 3.1а). Пусть Т(х-х0) - функция, описывающая профиль кончика зонда СЗМ, a S(x) - профиль исследуемой поверхности. Равенство производных этих функций в точке х является условием касания зонда и поверхности. Если считать, что значение х0 соответствует кончику зонда и при сканировании зонд в любой момент времени только одной своей точкой касается поверхности, то траектория зонда (1) будет однозначно определяться уравнениями:
Поэтому при сканировании образца регистрируется именно величина / (образ поверхности), которая является фактически сверткой изображения зонда и рельефа. Как видно из рис. 3.1а, кривые I и S могут значительно отличаться друг от друга, особенно в субмикронном и нанометровом масштабе измерений, то есть, когда размеры кончика зонда соизмеримы с размерами элементов микрорельефа.
Как показали предшествующие исследования, проведенные в нашем институте, средние размеры наночастиц железа, образующихся при имплантации ионов Fe+ в приповерхностном слое диоксида кремния, распределены в интервале от 20 до 200 нм [86]. В то же время радиус закругления кончика иглы АСМ, по данным производителей этих игл, имеет размеры порядка 10-50 нм. Соответственно, размеры кончика иглы сопоставимы с размерами наночастиц Fe, следовательно, получаемые АСМ изображения поверхности с такими частицами должны быть сильно искажены за счет эффекта свертки изображения исследуемого образца и кончика сканирующего зонда. Поэтому при проведении исследований селективного травления SiC 2, содержащего наночастицы железа, необходимо проводить деконволгоцшо полученных изображений. Ранее в нашем институте был предложен оригинальный алгоритм, позволяющий в значительной степени снизить искажения, связанные с конволюцией иглы и поверхности, а в отдельных случаях - полностью их устранить [87]. В отличие от большинства известных аналогичных методов, этот метод основан на численной компьютерной обработке (деконволюции) полученного экспериментально АСМ изображения, которая позволяет с использованием тестовых образцов получить изображение используемого в эксперименте зонда произвольной формы, а затем на основе этих данных провести реконструкцию исследуемой поверхности, полностью или частично устраняя искажения, внесенные реально используемым зондом.
Подробности метода численной компьютерной реконструкции изображения зонда СЗМ и исследуемой поверхности изложены в патенте № 1778820, зарегистрированном в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 13 декабря 1995 г. (Патентообладатель: Казанский физико-технический институт КазНЦ РАН).
Рассмотрим математическое описание эффекта свертки и процедуры деконволюции. Для простоты описания рассмотрим двухмерный случай (рис. 3.1). Пусть Т(х-х0) - функция, описывающая профиль кончика иглы АСМ, а S(x) - профиль исследуемой поверхности. Равенство производных этих функций в точке xt является условием касания иглы и поверхности. Если считать, что значение х0 соответствует кончику иглы и при сканировании зонд в любой момент времени касается поверхности только в одной точке, то траектория иглы поверхности, являясь фактически сверткой исследуемой поверхности и поверхности кончика иглы.
Суть используемого для деконволюции метода (рис. 3.16) состоит в том, что полученный после АСМ измерений образ поверхности (7) повторно (но уже численно, в компьютере) сканируется с обратной стороны зондом, профиль которого описывается функцией Т , полученной путем инверсии функции Т относительно некоторой точки (центра инверсии). При этом правило инверсии для произвольной координаты запишется как Т (у) = -Т(-у). Нижеприведенные уравнения, описывающие скольжение инвертированной иглы Г вдоль профиля /, будут аналогичны выражениям (3.1) и (3.2):
