Т 57 (5)
ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
ШКОЛА-СЕМИНАР МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ ЦЕНТРАЛЬНОГО РЕГИОНА
ПО ТЕМЕ: «УЧАСТИЕ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ В ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ, ПОИСКОВЫХ
И ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ПО СОЗДАНИЮ НОВЫХ УГЛЕРОДНЫХ
И НАНОУГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ»
Школа-семинар молодых ученых Центрального
региона на тему: «Участие молодых
ученых в фундаментальных, поисковых и прикладных
исследованиях по созданию новых углеродных
и наноуглеродных материалов» была организована
Общероссийской общественной организацией
специалистов в области углерода и углеродных
материалов «Углеродное общество»
(УгО), Советом директоров ОАО НПО «Стеклопластик»,
Федеральным государственным бюджетным
научным учреждением «Технологический
институт сверхтвердых и новых углеродных материалов»
(ФГБНУ ТИСНУМ) и ОАО «НИИграфит»
и проведена в соответствии с программой
конференции в п. Андреевка Московской области
2 - 3 октября 2013 г.
В работе семинара приняли участие 46
участников из Центрального региона России, в
том числе такие ведущие специалисты по углеродной
тематике как член-корр. РАН Костиков
Валерий Иванович, д.т.н. Бейлина Наталия Юрьевна,
д.т.н. Ножкина Алла Викторовна, председатель
Совета Директоров ОАО НПО «Стеклопластик»,
к.х.н. Трофимов Николай Николаевич.
На семинаре было сделано 23 доклада молодыми
учеными и 7 докладов ведущих специалистов
«Углеродного общества», заслушаны доклады
о проблемах производства на НПО «СТЕКЛОПЛАСТИК».
Проведенный
семинар показал высокую
заинтересованность молодых ученых в обмене
мнениями с коллегами и ведущими учеными и
специалистами отрасли.
По ходу проведения семинара внимательно
рассматривались вопросы, замечания и предложения
выступавших. В решении семинара были
отмечены доклады следующих молодых ученых:
- Пахомова И.В. (ФГБНУ ТИСНУМ)
«Синтез сверхтвердых композиционных материалов
в системе С60 – алмаз при высоких давлениях
и температурах»;
- Насибулина А.В. (ОАО «НИИграфит»)
«Исследование влияния способа введения наноструктурирующей
добавки на свойства пековой
матрицы»;
- Квашнина А.Г. (ФГБНУ ТИСНУМ) «Фазовые
переходы в квазидвумерных углеродных
материалах»;
- Сорокина О.Ю. (ОАО «НИИграфит»)
«Изучение процесса силицирования углеродных
материалов»;
- Седловец Д.М. (ФГБУН ИПТМ РАН)
«Кинетика роста графеноподобных пленок из паров
этанола»;
- Теличко А.В. (ФГБНУ ТИСНУМ,
МФТИ) «Исследование физико-химических и
акустических свойств пьезоэлектрических слоистых
структур Me1/AlN/Me2/(100) алмаз».
По итогам работы семинара были отобраны
доклады для опубликования на страницах этого
журнала.
Президент Общероссийской общественной организации
специалистов в области углерода и углеродных
материалов «Углеродное общество»
В.Д. Бланк
2014
ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2014 том 57 вып. 5
3
Стр.1
Т 57 (5)
ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ
ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
2014
УДК 544.558, 533.924
В.С. Бормашов, А.В. Голованов, А.П. Волков, С.А. Тарелкин, С.Г. Буга, В.Д. Бланк
ГЛУБОКОЕ РЕАКТИВНОЕ ИОННОЕ ТРАВЛЕНИЕ СИНТЕТИЧЕСКОГО АЛМАЗА
(Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов,
Московский физико-технический институт)
e-mail: anton.golovanov2012@gmail.com
Разработано и исследовано глубокое реактивное ионное травление поверхности
синтетического монокристаллического алмаза в двухступенчатом процессе травления в
плазме на основе SF6 и покрытия защитной пленкой в плазме на основе СF4. Для контроля
рельефа поверхности алмазных образцов до и после обработки плазмой использована
методика, основанная на анализе частотной зависимости спектральной плотности
мощности экспериментальных изображений, полученных с помощью атомносиловой
микроскопии на различных пространственных масштабах.
Ключевые слова: реактивное ионное травление, синтетический алмаз, атомно-силовая микроскопия,
спектральная плотность мощности шероховатости
ВВЕДЕНИЕ
Многочисленные применения синтетического
алмаза в устройствах экстремальной и силовой
электроники [1], рентгеновской оптике высоких
энергий [2], акустике [3] требуют надежных
методов планаризации алмазной поверхности,
вплоть до атомарно-гладкой, а также формирования
на ней рельефных структур с большим аспектным
соотношением. Для этого перспективно
использование двухступенчатого процесса «пассивация
– реактивное ионное травление» (аналога
BOSCH-процесса сверхглубокого травления кремния)
и литографии. Универсального способа контроля
рельефа поверхности на наномасштабах не
существует. Опыт производства интегральных
схем показывает, что при наличии структур на
поверхности требуется отдельный анализ в масштабе
одной точки, отдельной структуры и всей
поверхности [4]. Большое внимание уделяется
спектральному подходу к изучению рельефа на
различных масштабах [4-5].
МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
В работе использовались монокристаллы
алмаза типа IIb и IIa, выращенные в ФГБНУ
ТИСНУМ методом температурного градиента на
затравке при высоком давлении и температуре
(НРНТ) [6-7]. Из них были вырезаны пластины
4
Установка представляла из себя вакуумную
камеру с плоскопараллельными электродами
(1 и 2). Верхний электрод диаметром 60 мм был
заземлен. Нижний электрод диаметром 20 мм
служил столиком для образцов (8), на него подавалось
ВЧ смещение (13,56 МГц) мощностью до
ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2014 том 57 вып. 5
размером до 5 мм, толщиной 200-500 мкм с ориентацией
поверхности, соответствующей кристаллографической
плоскости (001). Затем они были
отполированы механически.
Схема установки для реактивного ионного
травления (РИТ) приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема установки для реактивного ионного травления:
1 – верхний электрод, 2 – нижний электрод-столик для образцов,
3 – генератор ВЧ смещения, 4 – согласующая схема,
5,6 – кварцевые лампы, 7 – термопара, 8 – образец
Fig. 1. Etching reactor scheme: 1 – upper electrode, 2 – lower
electrode - substrate holder, 3 – RF generator, 4 – matching circuit,
5,6 – quartz lamps, 7 – thermocouple, 8 – substrate
Стр.2
50 Вт (3). Зазор между электродами составлял 15 мм.
Давление в камере могло устанавливаться в диапазоне
3-30 Па, ускоряющие напряжения 100-250
вольт. РИТ могло осуществляться с использованием
газовых сред на основе кислорода, аргона,
элегаза, фторуглеродов и их смесей. Наличие согласующей
схемы (4) между ВЧ генератором и
нижним электродом позволило обрабатывать как
проводящие, так и непроводящие подложки. Камера
была оборудована кварцевыми лампами (5,6)
для нагрева образцов до 300°С. В нижний электрод
была вставлена термопара (7) для контроля
температуры непосредственно вблизи образцов.
Для защиты термопары от воздействия плазмы
она была помещена в керамическую трубку.
Ранее в качестве газовой среды использовался
элегаз SF6 [8], обладающий высокой степенью
ионизации и тяжелыми ионами и, как следствие,
высокой скоростью травления [9]. Однако высокая
интенсивность физического распыления при
РИТ приводила к разрушению масок и невозможности
достижения существенных глубин травления
(больше 1-2 мкм). Для повышения стойкости масок
было решено периодически производить пассивацию
поверхности, покрывая ее полимерной пленкой.
В работе [10] предлагалось использовать для
этого обработку в плазме на основе CF4.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Алмазные пластины отмывались последовательно
в растворе поверхностно-активного вещества,
ацетоне и изопропиловом спирте. Затем в
условиях чистого помещения класса 5 ISO пластины
промывались деионизованной водой и высушивались
на электроплитке при температуре
110 ºC. Для создания рельефных структур на поверхности
алмаза создавались защитные контактные
маски из металлов (алюминий и хром были
выбраны из-за возможности их химического травления)
и оксида алюминия (выбран из-за его высокой
стойкости к физическому распылению).
Нанесение пленок на поверхность образцов производилось
магнетронным осаждением на установке
AJA ORION 8.
Формирование масок осуществлялось фотолитографией
(стандартной и взрывной) на установке
лазерной литографии прямого письма
Heidelberg PG 101, оптимизированной для работы
с маленькими образцами. После обработки
плазмой остатки масок химически удалялись.
Образцы с нанесенными масками подвергались
реактивному ионному травлению. Параметры
травления представлены в табл. 1 и 2. Опыт
№1 с РИТ в атмосфере чистого SF6 был выполнен
ранее [8]. В опыте №2 алмазная поверхность обрабатывалась
только плазмой на основе CF4. В
опытах №3 и №4 была осуществлена двухступенчатая
обработка алмаза (переход из режима травления
поверхности в режим ее пассивации и обратно).
Реализация ее заключалась в переключении
потоков SF6 и CF4. Конструкция установки,
однако, не позволила выключать потоки газов
полностью. Травление алмазной поверхности
производилось при соотношении потоков CF4 и
SF6 1:50, а пассивация – при соотношении потоков
и 6:1. Один процесс обработки состоял из 5 циклов
«1 мин пассивации + 8 мин травления» и продолжался,
таким образом, 45 мин (табл. 1).
Таблица 1
Параметры реактивного ионного травления синтетического
алмаза
Table 1. Parameters of reactive ion etching of diamond
№
1
2
Состав
SF6
CF4
3
4
CF4/SF6 6:1 1 мин +
CF4/SF6 1:50 8 мин
CF4/SF6 6:1 1 мин +
CF4/SF6 1:50 8 мин
t, мин N, Вт P, Па U, В
30
60
30
30
45
30
5 циклов по 1+8 мин
45
40
5 циклов по 1+8 мин
Примечание: N – мощность ВЧ источника плазмы, P –
давление в камере, t – время травления, U – потенциал
нижнего электрода
Note: N – RF power supply, P – pressure, U – lower electrode
potential, t – etching time
Зарядка нижнего электрода приводила к
возникновению на нем отрицательного, по отношению
к плазме, потенциала, ускоряющего ионы
плазмы по направлению к подложке. Величина
потенциала устанавливалась в зависимости от
мощности ВЧ источника, газового состава и давления
в реакторе.
Поверхность образцов исследовалась до и
после обработки плазмой на растровом электронном
микроскопе (РЭМ) JSM-7600F и атомносиловом
микроскопе (АСМ) Ntegra Prima. Скорость
травления рассчитывалась по высоте структуры
(ступеньки) на границе с маской после окончания
РИТ.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В табл. 2 приведены данные по скоростям
травления и температурам подложек, устанавливающимся
в процессе травления. Температура
подложки и скорость травления зависели от типа
газа и энергии ионов: при РИТ в атмосфере SF6
(опыт №1) подложка сильно разогревалась при
существенной скорости травления 70 нм/мин, а
скорость разрушения маски из алюминия была в 4
раза меньше.
ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2014 том 57 вып. 5
5
6.3
1
6.3
7.5
6.3
7.5
170
240
220
135
240
200
Стр.3