氣體團(tuán)簇離子束兩步能量修形法的平坦化效應(yīng)*

Vasiliy Pelenovich 曾曉梅 羅進(jìn)寶 Rakhim Rakhimov左文彬 張翔宇 田燦鑫 鄒長(zhǎng)偉 付德君 楊兵

1) (武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 武漢 430072)

2) (嶺南師范學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 湛江 524048)

3) (武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院, 武漢 430072)

本文提出采用氣體團(tuán)簇離子束的兩步能量修形法來(lái)改善4H-SiC(1000)晶片表面形貌.先用15 keV 的高能Ar 團(tuán)簇離子進(jìn)行整體修形, 再用5 keV 的低能團(tuán)簇離子優(yōu)化表面.結(jié)果表明, 在相同的團(tuán)簇離子劑量下,與單一15 keV 的高能團(tuán)簇處理相比, 兩步法修形后的表面具有更低的均方根粗糙度, 兩者分別為1.05 nm 和0.78 nm.本文還以原子級(jí)平坦表面為研究對(duì)象, 揭示了載能團(tuán)簇引起的半球形離子損傷(弧坑)與團(tuán)簇能量的關(guān)系, 及兩步能量修形法在弧坑修復(fù)中的優(yōu)勢(shì).在原子力顯微鏡表征的基礎(chǔ)上, 引入了二維功率譜密度函數(shù), 以直觀全面地給出材料的表面形貌特征及其隨波長(zhǎng)(頻率)的分布.結(jié)果表明, 經(jīng)任何能量的團(tuán)簇離子轟擊的表面, 在0.05—0.20 μm 波長(zhǎng)范圍內(nèi), 團(tuán)簇轟擊都能有效地降低粗糙度, 而在0.02—0.05 μm 范圍內(nèi), 則出現(xiàn)了粗化效應(yīng), 這是由于形成了半球形離子損傷, 但第二步更低能量的團(tuán)簇離子處理可以削弱這種粗化效應(yīng).

1 引 言

氣體團(tuán)簇離子(gas cluster ion, GCI)是多個(gè)原子或分子的介觀聚合體, 尺寸范圍很廣, 從幾個(gè)原子到數(shù)千個(gè)甚至上萬(wàn)個(gè)原子不等, 直徑介于0.1 至10.0 nm.而每個(gè)團(tuán)簇離子的電荷數(shù)僅為幾個(gè)電子電量, 因而經(jīng)高壓加速后, 大尺寸團(tuán)簇中平均每個(gè)原子的能量仍然很小.這種高質(zhì)荷比(m/q)特點(diǎn), 使得重團(tuán)簇離子束與固體表面相互作用時(shí), 會(huì)產(chǎn)生不同于單原子離子束的特征—高能量密度、高溫度沖擊區(qū)、橫向?yàn)R射效應(yīng)、多重散射等, 以及在相同束流條件下可輸運(yùn)更多材料[1], 這些效應(yīng)通常都發(fā)生在非常淺的表面區(qū)域, 所以氣體團(tuán)簇離子束(gas cluster ion beam, GCIB)在材料表面改性方面具有廣泛應(yīng)用, 尤其是表面平坦化處理.

GCIB 技術(shù)和應(yīng)用在過(guò)去的幾十年里取得了很大的發(fā)展, 包括離子束刻蝕加工[2]、半導(dǎo)體材料摻雜、離子束輔助沉積、材料表面平坦化[3]、高真空二次離子質(zhì)譜檢測(cè)[4]和納米結(jié)構(gòu)自組裝[5,6]等.GCIB最成熟的應(yīng)用是團(tuán)簇離子垂直轟擊材料表面時(shí), 因其橫向?yàn)R射效應(yīng)[1], 對(duì)中等粗糙的表面可產(chǎn)生平坦化修形效應(yīng), 可將表面粗糙度降低至0.1 nm.GCIB中的單體離子與靶原子之間的相互作用呈高度的非線性關(guān)系, 不能簡(jiǎn)單地用Sigmund 濺射理論來(lái)描述, 這種差異使得團(tuán)簇離子與非光滑表面相互作用時(shí)促進(jìn)產(chǎn)生了平坦化效應(yīng)—團(tuán)簇離子轟擊材料表面時(shí), 材料凸起處濺射率遠(yuǎn)高于下凹處, 使得凸起處被侵蝕, 從凸起處濺射出的靶材料遵循次余弦定律, 幾乎平行靶材表面飛濺出去, 最后回落至下凹處, 使得凸起與下凹處高度差逐漸減小, 達(dá)到平坦化效果.

但團(tuán)簇離子轟擊靶材時(shí), 也會(huì)不可避免地遺留下輻照損傷.能量較高的團(tuán)簇離子, 在靶材碰撞區(qū)淀積的能量密度更高, 溫度急劇上升, 促進(jìn)靶表面原子的濺射, 加快表面平坦化速率.但與此同時(shí),也容易造成半球形離子損傷, 表現(xiàn)為環(huán)形弧坑[7],因?yàn)樽矒魠^(qū)溫度和壓力的急劇升高, 使得樣品表面濺射出大量物質(zhì)后留下弧坑, 弧坑中間低于靶材的平均表面, 但邊緣會(huì)壘起高于靶材表面的環(huán)狀土堆, 這種中間低、邊緣高的不平整形貌, 在很大程度上破壞了平坦表面, 使得表面粗糙度限制在1.0 nm,難以突破.團(tuán)簇輻照形成的弧坑的內(nèi)直徑遵循以下公式:

其中E 為團(tuán)簇能量, 單位eV; B 為樣品的布氏硬度[8].因而, 對(duì)于硬度一致的靶材, 團(tuán)簇能量越高,遺留的弧坑直徑越大[9].

Matsuo 等[10]進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)(molecular dynamics, MD)模擬, 研究了Ar2000對(duì)Si(100)的損傷形態(tài), 模擬結(jié)果表明, 低能團(tuán)簇(2—4 keV)不會(huì)對(duì)靶材造成離子損傷; 能量為6 keV 時(shí), 撞擊區(qū)開(kāi)始形成中心處下陷、外邊緣由土堆環(huán)繞的不平整弧坑(crater), 且損傷區(qū)域的深度、寬度隨著沖擊能量的增大逐漸變大.MD 模擬結(jié)果為低能團(tuán)簇更利于實(shí)現(xiàn)低損平坦化改性奠定了理論基礎(chǔ).之后,Houzumi 等[11]對(duì)高取向熱解石墨(highly oriented pyrolytic graphite, HOPG)靶進(jìn)行了Ar 團(tuán)簇的濺射研究, 從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了高能團(tuán)簇更容易形成大弧坑, 破壞靶材表面.Greer 等[12]以Ta 薄膜為實(shí)驗(yàn)對(duì)象, 研究了10, 20 和28 keV 的Ar1000團(tuán)簇的平坦化效應(yīng), 表明28 keV 的團(tuán)簇離子最快地降低了表面粗糙度, 而14 keV 的團(tuán)簇離子束輻照的表面最為平坦.之后, Isogai 等[13]和Seki[14]分別研究了Ar 和SF6等團(tuán)簇離子束對(duì)Si 晶片和Au 薄膜的輻照, 表面粗糙度隨加速能量的增加而變差.Toyoda 等[15]用不同能量的Ar+和Ar-GCIB 輻照Co3Fe7表面, 證實(shí)了較低電離電壓下多電荷GCIB的形成受到限制, 低能GCIB 有助于表面平滑.

因此, 為了獲得更好的平坦化效果, 有必要降低團(tuán)簇能量.倘若一味地降低團(tuán)簇能量以獲得平坦表面, 也會(huì)因?yàn)槭鬟^(guò)低而不得不延長(zhǎng)拋光時(shí)間,而且低能團(tuán)簇濺射率低于高能團(tuán)簇[16], 很難除去表面凸起, 最終在靶材表面會(huì)留下很多無(wú)法除去的機(jī)械損傷, 表面粗糙度難以達(dá)到預(yù)期.

在上述研究中, 不論是MD 模擬還是實(shí)驗(yàn)研究, 采用的均是單一能量的平坦化模式, 缺乏多步能量的實(shí)驗(yàn)研究.

兩步能量修形法是本課題組對(duì)之前平坦化研究的延續(xù)[17?19], 可以解決低能團(tuán)簇束流過(guò)低的問(wèn)題.本研究致力于采用兩步氣體團(tuán)簇離子束處理來(lái)改善表面粗糙度, 分析了Ar 氣體團(tuán)簇離子束(平均尺寸為1000 atoms/cluster)垂直輻照4H-SiC(1000)引起的平坦化效應(yīng), 對(duì)比了單一高能團(tuán)簇、單一低能團(tuán)簇, 以及兩步能量團(tuán)簇修形法的平坦化差異.研究結(jié)果對(duì)提高平坦化效率、改善最終表面形貌具有重要意義.

2 實(shí) 驗(yàn)

在自主設(shè)計(jì)的氣體團(tuán)簇離子加速器上引出目標(biāo)團(tuán)簇離子束, 其工作原理是: 在標(biāo)準(zhǔn)溫度下, 通過(guò)進(jìn)氣管輸送一定壓強(qiáng)的高純?cè)礆怏w, 氣體穿過(guò)錐形噴嘴時(shí), 因?yàn)閲娮炜讖綐O小, 導(dǎo)致噴嘴兩頭存在較大的壓強(qiáng)差和溫度差, 促使氣體膨脹并絕熱冷卻, 冷凝成中性團(tuán)簇; 離化器采用加熱放電原理,陰極采用鎢絲材質(zhì), 高壓放電產(chǎn)生熱電子, 使中性團(tuán)簇粒子電離, 形成團(tuán)簇離子; 然后在加速器和三極透鏡聚焦系統(tǒng)作用下, 單個(gè)的團(tuán)簇離子聚集成團(tuán)簇離子束; 團(tuán)簇離子在E 型永磁鐵的磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用, 并作圓周運(yùn)動(dòng), 圓錐形氣流束中的單原子離子和原子數(shù)較少的團(tuán)簇離子質(zhì)量輕, 圓周運(yùn)動(dòng)軌道半徑小, 在洛倫茲力的作用下被偏轉(zhuǎn),而重團(tuán)簇離子幾乎維持原路徑向穿過(guò)磁場(chǎng), 形成重團(tuán)簇離子束[17,19,20].

以惰性氣體Ar 作為工作氣體, 源氣壓為10 bar(1 bar = 105Pa), 由飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(time of flight mass spectrometer, TOF-MS)測(cè)得產(chǎn)生的平均團(tuán)簇尺寸為1000 atoms/cluster.高壓氣體在臨界直徑為65 μm、錐角為14°的錫鉛合金圓錐形噴嘴中進(jìn)行超聲膨脹, 形成團(tuán)簇粒子束.噴嘴以脈沖模式供氣, 改善了真空條件, 有利于獲得較大的團(tuán)簇.噴嘴腔室和輻照室的真空度分別為 0.16 Pa和5 × 10–3Pa.

以4H-SiC(1000)晶圓(合肥科技材料技術(shù)有限公司)為基體材料, 包括具有原子級(jí)平坦表面的4H-SiC 和表面帶有機(jī)械損傷(劃痕)的4H-SiC, 機(jī)械損傷由1 μm 粒徑的金剛石研磨膏打磨而成.實(shí)驗(yàn)用的SiC 試片均切割成4.0 mm × 4.0 mm ×0.5 mm的方塊, 置于5 mm × 5 mm 的銅質(zhì)樣品臺(tái), 由氣體團(tuán)簇離子束垂直輻照.為了驗(yàn)證載能團(tuán)簇離子會(huì)形成弧坑等半球形離子損傷, 研究?jī)刹侥芰啃扌畏ㄔ诨】有迯?fù)、機(jī)械損傷去除中的優(yōu)勢(shì), 兩種初始形貌的SiC 試片都經(jīng)過(guò)了團(tuán)簇的單一15 keV 高能、單一5 keV 低能、15–5 keV 兩步能量法的修形處理, 離子劑量均為3 × 1016cm–2,15 和5 kV 下團(tuán)簇離子束流分別為1.0 和0.5 μA.表1 和表2 分別列出了兩種靶材的具體平坦化參數(shù)(加速電壓、離子劑量、拋光時(shí)間).

表1 具有原子級(jí)平坦表面4H-SiC 的團(tuán)簇輻照參數(shù)(團(tuán)簇能量、離子劑量、輻照時(shí)間)和輻照結(jié)果(均方根表面粗糙度Rq)Table 1.The smoothing parameters (cluster energy,ion flux, and treatment time) and root mean square roughness Rq.The samples have atomically smooth initial surface.

表2 4H-SiC(1000)樣品(含有機(jī)械損傷)的平坦化參數(shù)(團(tuán)簇能量、離子劑量、平坦化時(shí)間)和平坦化結(jié)果(均方根表面粗糙度Rq)Table 2.The smoothing parameters (cluster energy,ion flux, and treatment time) and root mean square roughness Rq.The samples have mechanically polished(scratched) initial surface.

采用原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)(Shimadzu SPM-9500J3)、功率譜密度函數(shù)(power spectral density, PSD)等方法進(jìn)行測(cè)試表征, 分析團(tuán)簇輻照前后, 材料表面形貌的變化情況.AFM 測(cè)試采用tapping 模式, 掃描面積為5 μm ×5 μm.

3 結(jié)果分析

3.1 團(tuán)簇離子束對(duì)平坦表面的修形

為了驗(yàn)證載能團(tuán)簇離子遺留的離子損傷程度與加速電壓的關(guān)系, 同時(shí)避免初始表面形態(tài)中劃痕、孔洞、突起等對(duì)最終表面形貌、粗糙度值(團(tuán)簇轟擊后)的影響, 采用具有原子級(jí)平坦表面的4H-SiC(1000)晶圓為研究對(duì)象, 初始粗糙度Rq=0.15 nm.圖1 為經(jīng)不同能量的Ar 團(tuán)簇垂直輻照后, 4H-SiC 的AFM 表面形貌圖.圖1(a)為15 keV團(tuán)簇轟擊后的表面形貌, 其表面均方根粗糙度Rq為0.99 nm, 見(jiàn)表1.圖1(a)表面可見(jiàn)大量細(xì)小顆粒, 尺寸介于10—20 nm.將圖1(a)放大后, 如圖1(b)所示, 觀察到整個(gè)表面布滿了弧坑, 直徑約25—35 nm, 弧坑數(shù)量巨大, 以致彼此之間存在堆疊、重合, 因而, 只有最后形成的弧坑才保留有完整的形貌, AFM 圖像上顯示的白色細(xì)小顆粒即為環(huán)狀弧坑的外邊緣.圖1(c)為圖1(b)中弧坑的截面輪廓圖, 具體表現(xiàn)為中間低于SiC 平均表面、邊緣高于SiC 平均表面的不平整結(jié)構(gòu), 圖中弧坑直徑約30 nm、深4 nm, 計(jì)算出該弧坑Rq為1.13 nm.對(duì)比圖1(d) 5 keV 團(tuán)簇轟擊后的表面形貌, 表面均方根粗糙度Rq為0.61 nm, 見(jiàn)表1, 形成的弧坑直徑約15—20 nm.對(duì)比圖1(b)和圖1(d)中弧坑尺寸, 驗(yàn)證了弧坑直徑與團(tuán)簇能量的關(guān)系遵循(1)式, 表明低能團(tuán)簇在很大程度上降低了對(duì)靶材造成的離子損傷, 形成的表面更平坦, 如果團(tuán)簇能量可以無(wú)限降低直至趨于0 keV, 理論上可以實(shí)現(xiàn)完全無(wú)損傷的靶材表面.然而實(shí)際應(yīng)用中, 團(tuán)簇能量降低的同時(shí), 離子束流也會(huì)迅速降低, 獲得所需要的離子劑量將會(huì)相當(dāng)困難.

而后, 采用團(tuán)簇離子的兩步能量修形法, 先后用15 和5 keV 的團(tuán)簇離子轟擊靶材, 每步離子劑量均為 1.5 × 1016ions/cm2.最終SiC 形貌如圖1(e),Rq為0.62 nm, 與單一5 keV 輻照的結(jié)果一致, 但縮短了平坦化時(shí)間, 見(jiàn)表1.因此, 在15 keV 高能團(tuán)簇轟擊后, 再用5 keV 低能團(tuán)簇進(jìn)一步轟擊, 會(huì)改善表面形貌, 有效地修復(fù)15 keV 高能團(tuán)簇產(chǎn)生的離子損傷, 取而代之為5 keV 產(chǎn)生的尺寸、數(shù)量都相對(duì)減小的弧坑.綜上所述, 低能團(tuán)簇輻照能削弱高能團(tuán)簇造成的離子損傷, 預(yù)計(jì)兩步能量修形法可以在較短時(shí)間內(nèi)獲得更光滑的表面, 平坦化效率更高.

圖1 4H-SiC(1000)經(jīng)不同能量的Ar 團(tuán)簇垂直輻照后的AFM 表面形貌圖 (a) 15 keV; (b) 15 keV (更高倍率); (c) 圖(b)中弧坑的截面輪廓圖; (d) 5 keV; (e) 兩步法, 15, 5 keVFig.1.AFM images of 4H-SiC(1000) surface after Ar cluster bombardment at different energies: (a) 15 keV;(b) 15 keV at higher magnification; (c) cross section of a crater from Fig.(b); (d) 5 keV; (e) 15 keV and subsequent 5 keV.

功率譜密度函數(shù)是頻率的函數(shù), 以圖形形式揭示了周期性或隨機(jī)性的表面特征及表面特征隨頻率(波長(zhǎng))的分布.在頻率空間比較各個(gè)樣品的粗糙度水平, 即比較指定空間頻率范圍內(nèi)功率譜密度函數(shù)所覆蓋區(qū)域的面積, 覆蓋面積越小, 對(duì)應(yīng)表面粗糙度也越低, 表面越光滑[17].通過(guò)傅里葉轉(zhuǎn)換,可將AFM 圖像轉(zhuǎn)換為2D-PSD 函數(shù)曲線, 為便于比較分析, 將橫坐標(biāo)頻率換算成波長(zhǎng), 即本研究論文中所有PSD 函數(shù)均為波長(zhǎng)的函數(shù).圖2 為圖1中AFM 圖像相對(duì)應(yīng)的PSD 函數(shù)曲線, 在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi), 經(jīng)15–5 keV 團(tuán)簇處理的PSD 曲線遠(yuǎn)低于15 和10 keV 的曲線, 這是由于5 keV 的低能團(tuán)簇有效地消除了15 keV 產(chǎn)生的弧坑, 但與單一5 keV 低能團(tuán)簇相比, 兩者的曲線十分接近.PSD數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明, 5 keV 低能團(tuán)簇可以修復(fù)先前15, 10 keV 團(tuán)簇所產(chǎn)生的離子損傷, 降低粗糙度.

圖2 4H-SiC(1000)經(jīng)不同能量的團(tuán)簇轟擊后, AFM 圖像對(duì)應(yīng)的PSD 曲線Fig.2.PSD functions of 4H-SiC (1000) surface after Ar cluster bombardment at different energies.

3.2 團(tuán)簇離子對(duì)4H-SiC 表面(包含機(jī)械損傷)的處理

以帶有機(jī)械損傷的4H-SiC(1000)晶圓為研究對(duì)象, 對(duì)比研究了團(tuán)簇離子束單一能量和兩步能量修形法在機(jī)械損傷修復(fù)中的作用.圖3 為經(jīng)不同能量的Ar 團(tuán)簇垂直輻照后, 4H-SiC(1000)的AFM表面形貌圖.圖3(a)為團(tuán)簇轟擊前的初始表面,4 H-SiC 片由1 μm 粒徑的金剛石研磨膏打磨而成, 表面包含有很多100 nm 寬、2—3 nm 深的條狀劃痕, 均方根粗糙度Rq為1.35 nm, 見(jiàn)表2.經(jīng)單一15 keV 高能Ar 團(tuán)簇離子轟擊后, 見(jiàn)圖3(b),表面均方根粗糙度Rq降低至1.05 nm(見(jiàn)表2), 表面劃痕幾乎全部除去, 但SiC 顆粒(即弧坑的邊緣)變得粗大、松散, 表明15 keV 高能團(tuán)簇可以快速除去劃痕等機(jī)械損傷, 粗糙度有所降低, 但也會(huì)在靶材表面遺留下弧坑等離子損傷.經(jīng)單一5 keV低能Ar 團(tuán)簇離子轟擊后, 見(jiàn)圖3(c), 表面均方根粗糙度Rq與15 keV 的相差不明顯, 為0.9 nm, 但此時(shí)SiC 顆粒(弧坑)較為細(xì)密, 樣品表面劃痕數(shù)量有所減少, 只有最寬、最深的劃痕依然存在, 表明5 keV 低能團(tuán)簇只能一定程度上除去部分淺劃痕.因此, 與15 keV 處理結(jié)果相比, 由于5 keV 低能團(tuán)簇未除去的深劃痕在粗糙度中的貢獻(xiàn)占比很大, 同時(shí)在5 keV 處理后, 弧坑尺寸減小, 對(duì)整體粗糙度的貢獻(xiàn)減小, 總的來(lái)說(shuō)粗糙度稍有降低, 卻沒(méi)法進(jìn)一步突破.圖3(d)為經(jīng)15–5 keV 兩步能量輻照后的形貌, 表面均方根粗糙度Rq降低至0.78 nm,樣品表面所有劃痕不復(fù)存在, 且顆粒細(xì)密, 表面光潔幾乎無(wú)污染, 證明兩步能量模式的平坦化效果更加明顯, 先通過(guò)高能團(tuán)簇轟擊除去了所有劃痕等機(jī)械損傷, 再用低能團(tuán)簇修復(fù)高能團(tuán)簇遺留下的弧坑等離子損傷.

圖3 4H-SiC(1000)經(jīng)不同能量的Ar 團(tuán)簇垂直輻照后的AFM 表面形貌圖 (a) 原始形貌; (b) 15 keV; (c) 5 keV;(d) 15–5 keV 兩步能量Fig.3.AFM images of mechanically polished 4H-SiC (1000)surface before and after Ar cluster bombardment with different energy: (a) Initial surface; (b) 15 keV; (c) 5 keV; (d) 15 and subsequent 5 keV.

圖4 為圖3 AFM 圖像相對(duì)應(yīng)的PSD 頻譜曲線, 0.02—0.05 和0.05—2.00 μm 兩個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的PSD 表征著兩種不用的表面形貌, 分別代表弧坑(團(tuán)簇轟擊形成的半球形離子損傷)和劃痕(金剛石研磨膏打磨而成).經(jīng)過(guò)單一15 keV 團(tuán)簇處理后, 在0.05—2.00 μm 波長(zhǎng)范圍內(nèi), PSD 曲線變化量最大.波長(zhǎng)為0.3 μm 時(shí), 粗糙度降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí), 因?yàn)橛行У厝コ藙澓?然而, 在0.02—0.05 μm波長(zhǎng)范圍內(nèi), 與初始表面相比, 粗糙度反而增加,這種粗化效應(yīng)是由弧坑造成的.經(jīng)過(guò)單一5 keV 團(tuán)簇處理后, 在0.05—2.00 μm 波長(zhǎng)范圍內(nèi), 粗糙度的減小值低于15 keV, 因?yàn)榈湍軋F(tuán)簇對(duì)靶材的濺射率降低, 在相同的離子劑量下, 對(duì)損傷層的去除效果較差.另一方面, 在0.02—0.05 μm 短波長(zhǎng)范圍內(nèi), 與15 keV 處理結(jié)果相比, 粗糙度降低了, 因?yàn)榈湍軋F(tuán)簇離子形成的弧坑尺寸更小.因此, 兩步能量平坦化方法, 結(jié)合高能團(tuán)簇快速去除劃痕(較長(zhǎng)波長(zhǎng))和低能量?jī)?yōu)化表面(產(chǎn)生較小的弧坑(較短波長(zhǎng)))的優(yōu)勢(shì), 可以進(jìn)一步降低最終粗糙度.實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這種方法的有效性, 如圖4 所示.兩步能量修形法—15–5 keV 平坦化方法, 總劑量與單一能量處理時(shí)相同, PSD 函數(shù)在0.05—2.00 μm 波長(zhǎng)范圍內(nèi), 表現(xiàn)出類似單一15 keV 高能團(tuán)簇的處理效果; 而在0.02—0.05 μm 波長(zhǎng)范圍內(nèi), 與單一5 keV 低能團(tuán)簇的處理效果一致.第一步高能團(tuán)簇快速去除劃痕, 第二步低能團(tuán)簇修復(fù)高能團(tuán)簇形成的弧坑, 降低弧坑尺寸, 使得最終表面更為平坦.如果團(tuán)簇能量進(jìn)一步降低, 有望使0.02—0.05 μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的PSD 曲線也降低至原始表面的PSD曲線之下, 實(shí)現(xiàn)全局平坦化, 達(dá)到原子級(jí)的均方根粗糙度值.

圖4 4H-SiC(1000)經(jīng)不同能量的團(tuán)簇轟擊后, AFM 圖像對(duì)應(yīng)的PSD 曲線插圖表示短波區(qū)域, 箭頭表示粗糙度隨團(tuán)簇能量的增加而變化Fig.4.PSD functions of 4H-SiC (1000) surface after Ar cluster bombardment at different energies.The inset represents short wavelength region.The arrow represent change of the roughness with increasing cluster energy.

4 結(jié) 論

采用Ar 氣體團(tuán)簇離子束對(duì)4H-SiC(1000)進(jìn)行表面平坦化處理, 對(duì)比了單一高能團(tuán)簇、低能團(tuán)簇, 以及兩步能量團(tuán)簇修形法的輻照效果.研究對(duì)象為兩種初始形貌不同的靶材: 具有原子級(jí)平坦表面的4H-SiC 和表面帶有機(jī)械損傷(劃痕)的4H-SiC.第一種靶材處理結(jié)果表明, 高能團(tuán)簇更容易在靶材表面遺留半球形離子損傷, 增加表面粗糙度.對(duì)第二種帶有機(jī)械損傷的SiC 靶材, 兩步能量修形法表現(xiàn)出更為顯著的平坦化效應(yīng), 相比傳統(tǒng)的單一高能團(tuán)簇轟擊, 第一步高能團(tuán)簇可以保持產(chǎn)生高額濺射率, 而第二步低能團(tuán)簇可以有效地修復(fù)高能團(tuán)簇遺留下的離子損傷等, 更進(jìn)一步優(yōu)化表面形貌, 降低表面粗糙度.相比傳統(tǒng)的單一的低能團(tuán)簇轟擊, 可以同樣達(dá)到最終的平坦表面, 同時(shí)由于兩步能量初期的高能團(tuán)簇濺射率高、束流大, 優(yōu)先快速除去了大部分低能團(tuán)簇難以消除的大凸起和深劃痕, 極大地縮短了拋光時(shí)間.PSD 函數(shù)圖像表明, 高能團(tuán)簇處理可以有效地降低0.05—2.00 μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的粗糙度, 與初始表面的劃痕相對(duì)應(yīng).而在0.02—0.05 μm 波長(zhǎng)范圍內(nèi), 由于形成了弧坑,粗糙度反而增加, 弧坑的大小取決于團(tuán)簇能量.因此, 為了有效地降低0.05—2.00 μm 范圍內(nèi)的粗糙度, 有必要使用高能團(tuán)簇處理, 而為了在0.02—0.05 μm 的較短范圍內(nèi)改善粗糙度, 有必要進(jìn)行低能團(tuán)簇處理, 而兩步能量修形法結(jié)合了兩者的優(yōu)勢(shì), 短時(shí)間內(nèi)獲得了平坦化效果最佳的最終表面.