Sorgente ionica multimodale per per depth profiling e sputtering organico e inorganico
La sorgente ionica cluster di gas multimodale è progettata per funzionare sia in modalità cluster Arn+ che in modalità monatomica Arn+, rendendola adatta per la pulizia sputtering e la profilazione profonda di film sottili organici, inorganici e metallici. Inoltre può essere utilizzata anche per generare ioni He+ a bassa energia da utilizzare con la spettroscopia di diffusione ionica.
L’uso di grandi cluster di argon per la profilazione della profondità di sputtering di materiali organici è ora ampiamente accettato e il loro utilizzo viene esteso alla profilazione della profondità inorganica.
Attraverso una combinazione di dimensioni del cluster e tensione di accelerazione, è possibile pulire a spruzzo un’ampia gamma di materiali o profilarli in profondità senza danni chimici alla superficie. La sorgente ionica può essere utilizzata in modalità monoatomica per strati metallici sottili, piccoli cluster ad energie di fascio elevate possono essere utilizzati per ossidi metallici e cluster di grandi dimensioni a energia da bassa a media per un’ampia gamma di materiali organici.
Funzionamento in modalità cluster di iori Arn+
Grandi cluster di Ar sono formati dal raffreddamento adiabatico isoentropico del gas mentre si espande dall’alta pressione (P0) attraverso un ugello nel vuoto della regione sorgente (P1/P2). I cluster di Arn vengono ionizzati dall’impatto degli elettroni, estratti dalla regione sorgente e accelerati lungo la colonna ionica dove un filtro di velocità di Wien viene utilizzato per selezionare una dimensione mediana dei cluster compresa tra 500 e 3000. Questi ioni cluster possono essere accelerati fino a un massimo di 20 keV, in modo che l’energia per atomo, o energia di partizione, può essere variata da < 2 eV (5 keV, Ar3000+) a 40 eV (20 keV, Ar500+). Una successiva curva di canalizzazione ionica nella colonna di focalizzazione rimuove i neutri energetici. Il raggio viene quindi focalizzato sul campione su una dimensione dello spot minima di 250 μm. Le piastre di scansione consentono di rasterizzare il raggio sulla superficie del campione per creare un profilo di profondità uniforme.
La capacità di generare ioni Arn+ con diverse dimensioni di cluster ed energie di accelerazione significa che è possibile generare profili di profondità efficaci dalla più vasta gamma di materiali. Cluster di grandi dimensioni, dove n > 2000, sono utili per la profilazione in profondità di sistemi di strati organici, mentre è stato dimostrato che cluster più piccoli di n=500 accelerati ad alte energie sono necessari per trattenere la chimica dei materiali inorganici durante la profilazione in profondità e la pulizia dei campioni.
Modalità di funzionamento ioni Ar+ monatomici
La sorgente ionica può essere utilizzata in modalità ionica Ar+ monoatomica per la profilazione convenzionale di campioni inorganici e metallici in profondità. È noto che la resa dello sputtering per questa classe di materiali è molto più elevata per gli ioni monoatomici rispetto a quelli cluster, rendendo la modalità monatomica Ar+ importante per la profilazione della profondità in tempi sperimentali realistici. La tensione di accelerazione ionica può essere variata tra 500 eV e 8 keV.
Hardware & software
La configurazione standard prevede il pompaggio differenziale della sorgente ionica mediante due pompe turbomolecolari dedicate con pompaggio aggiuntivo fornito dalla camera di ingresso del campione. Viene fornito un collettore automatizzato per la gestione del gas per fornire sia l’alta che la bassa pressione rispettivamente per le modalità cluster e monoatomica.
L’unità di controllo della sorgente ionica è controllata da un computer tramite il software ESCApe che consente il funzionamento non presidiato e la commutazione tra le modalità cluster Arn+ e Ar+ o He+ monoatomica. Per le operazioni di routine, l’interfaccia utente consente il semplice richiamo dei metodi operativi standard per la pulizia dei campioni e la profilazione della profondità in modalità cluster e monoatomica. I parametri operativi della sorgente ionica vengono visualizzati continuamente consentendo il monitoraggio dei parametri chiave insieme a un diagramma simulato del vuoto che mostra lo stato delle valvole e delle pompe.
Applicazioni
Depth profiling di materiali inorganici
Piccoli cluster, depth profiling ad alta energia
È noto che le rese di sputtering da materiali inorganici sono basse quando si utilizzano cluster di gas. Questa sfida può essere mitigata utilizzando piccoli cluster con energia abbagliante. Qui confrontiamo l’uso di Ar+ monoatomico da 5 keV con ioni Ar1000+ da 20 keV per la profilazione della profondità di sputtering di un film sottile ALD di ossinitruro di litio e fosforo in cui è interessante la distribuzione del Li attraverso il film. L’elevata tensione di accelerazione in modalità cluster garantisce che il profilo di profondità sia stato completato in una scala temporale pratica.
C’è una netta differenza tra i due profili. Sotto il bombardamento monoatomico si verifica un aumento iniziale della concentrazione di Li dopo il primo ciclo di attacco – una conseguenza della rimozione della contaminazione superficiale – quindi una successiva diminuzione di Li nella maggior parte del film raggiungendo uno stato stazionario, mostrato in figura 1 (a). Vicino all’interfaccia LiPON con il substrato Si la concentrazione di Li aumenta. Al contrario, quando si profilano gli ioni Ar1000+ da 20 kV, il profilo mostra una diversa distribuzione di Li, figura 1 (b). Dopo il primo attacco viene mostrato un aumento iniziale della concentrazione di Li, tuttavia non vi è alcuna diminuzione successiva. È interessante notare che non è stato osservato alcun accumulo di Li all’interfaccia con il substrato di Si. Un confronto tra le concentrazioni di Li profilate utilizzando due ioni diversi è mostrato nella figura 1 (c).
I diversi risultati sono attribuiti all’accumulo di carica positiva nella regione della superficie vicina da parte degli ioni Ar+ monoatomici impiantati. L’accumulo di carica respinge ulteriormente i piccoli ioni mobili di litio positivi presenti sulla superficie, determinando una sottostima della quantificazione della superficie. La migrazione di massa repulsiva spiega anche l’aumento della concentrazione di Li all’interfaccia con il substrato di Si. Gli ioni leggeri non sono in grado di penetrare nel metallo Si e nell’ossido nativo e si accumulano invece all’interfaccia.
Materiali multistrato nanostrutturati
Grandi cluster, depth profiling ad alta energia
I materiali multistrato nanostrutturati sono emersi recentemente come una classe distinta di materiali super duri che hanno trovato impiego come rivestimenti per utensili da taglio e rivestimenti di turbine. Sono costituiti da strati ripetuti di nanometri assemblati tramite deposizione fisica di vapore per formare superreticoli. Un esempio di tale materiale è il multistrato TiN (7nm)/CrN (3nm) con 100 unità ripetitive che ha dimostrato di avere un’elevata resistenza all’ossidazione e proprietà meccaniche superiori.
L’approccio convenzionale per profilare in profondità questo campione sarebbe quello di utilizzare ioni Ar+ monoatomici da 500 eV. Il profilo è mostrato nella figura 2 (a). È immediatamente evidente che si verifica una perdita di risoluzione dell’interfaccia dopo 12 strati a causa della penetrazione degli ioni Ar+ monoatomici nel materiale con conseguente miscelazione degli strati. Ciò è stato supportato dall’osservazione dell’Ar nello spettro di rilevamento della fotoemissione durante il profilo di profondità.
Lo stesso campione è stato profilato utilizzando cluster di grandi dimensioni e ad alta energia (20 keV, Ar2000+). L’uso dell’elevata tensione di accelerazione ionica ha assicurato che il volume di resa per ione incidente fosse il più alto possibile in modo che il profilo di profondità fosse completato in un esperimento notturno. La Figura 2(b) mostra il profilo di profondità riuscito con il mantenimento della struttura dello strato durante il rivestimento da 100 strati. Contrariamente al profilo monoatomico, per questo profilo del cluster Ar2000+ non è stata osservata l’incorporazione di Ar nel campione.
Depth profiling di materiali organici multistrato
Piccoli cluster, depth profiling a energia media
Le strutture polimeriche a film sottile stanno trovando un numero crescente di applicazioni tra cui filtri e riflettori ottici, elettronica organica e sistemi di somministrazione di farmaci. L’uso di cluster di gas ha consentito la profilazione in profondità dello sputtering di questa classe di materiali, dove la chimica del polimero viene mantenuta in tutto il profilo. Qui, ioni Ar1000+ da 10 keV sono stati utilizzati per profilare in profondità attraverso un riflettore Bragg multistrato a 50 strati comprendente polistirene rivestito con spin (PS) e polivinilpirolidone (PVP). La caratterizzazione mediante tecniche complementari [1] conferma che gli strati PS e PVP erano rispettivamente di 328 nm e 288 nm, in modo tale che il materiale multistrato avesse uno spessore > 15 um. La Figura 3(a) mostra il profilo della profondità dello sputtering attraverso l’intera struttura fino al substrato di vetro. La struttura dello strato viene mantenuta per tutto il profilo di profondità ed è evidente che la fabbricazione della struttura ha prodotto uno spessore di strato uniforme per ciascun rispettivo strato polimerico. Le Figure 3(b) e (c) mostrano lo spettro C 1s rispettivamente per gli strati 35 e 36, dimostrando che la chimica del polimero viene mantenuta anche durante il processo di sputtering.
Conclusioni
La sorgente ionica a cluster di gas multimodale offre la possibilità di profilare in modo approfondito campioni polimerici, inorganici e metallici attraverso una scelta di cluster di gas giganti o ioni di argon monoatomici. Il facile controllo sia delle dimensioni del cluster che dell’energia ionica consente di utilizzare l’energia di partizione appropriata per l’applicazione mantenendo al tempo stesso rese adeguate di sputtering per ione incidente. Piccoli cluster ad alta energia (20 keV, Ar1000+) sono utili per la profilazione profonda di materiali inorganici e dimostrano una ritenzione stechiometrica significativamente migliore rispetto ai profili Ar+ monoatomici. Cluster grandi e a energia inferiore (5 keV, Ar3000+) vengono utilizzati per la rimozione della contaminazione superficiale dei materiali polimerici, mentre cluster grandi e a media energia (10 keV, Ar3000+) sono adatti per la profilazione estremamente profonda di materiali organici.