Solid surface smoothing and etching by gas cluster ion beam

A 150 kV gas cluster ion accelerator was constructed and the cluster sizes of $CO_2$ and $N_2O$ gases were measured using time-of-flight mast spectrometry. Through isolated cluster ion impact on a HOPG, hillock with 1 nm height and a few tenth m in diameter were found to be formed by an atomic force microscope. When monomer ion beams were irradiated on the hillocks existed on a ITO surface, they became sharper and the surface became rougher. But they changed into round-shaped ones by cluster ion irradiation and the surface became smooth after the irradiation of $5\times10^{-14}\textrm{cm}^2$ at 25 kV. As the cluster ion dose was varied, the change of surface morphology and roughness of Si was examined. At the lower dose, the density of hillocks and surface roughness were increased, called surface embossment process. And then after the critical dose at which the area of the formed hillocks equals to the unirradiated area, the sputtering from the hillocks was predominantly evolved, and dislocated atoms were diffused and filled among the valleys, called surface sputtering and smoothing process. At the higher ion dose, the surface consisting of loosely bounded atoms was effectively sputtered into the depth and etching phenomenon was happened, called surface etching process.

가스 클러스터 이온빔을 이용한 고체 표면 평탄화 및 식각에 대한 연구

150 kV급 가스 클러스터 이온 가속기를 제자하여 $CO_2$와 $N_2O$ 클러스터의 크기를 비행시간 측정법을 통하여 조사하였다. Isolated cluster ion impact를 통하여 클러스터 이온이 고체 표면과 충돌시 1nm 정도 놀이와 수십 nm 폭을 가지는 hillock을 형성시키는 것을 원자간 척력 현미경으로 관찰하였다. 또한 hillock이 존재하는 ITO 표면에 $CO_2$ 클러스터 이온을 조사하면 단원자 이온의 충돌시 보이는 sharpening 현상과는 다른 다중 충돌에 의한 sputtering 효과가 관찰되었으며, 25 kV의 가속 전압에서 $CO_2$ 클러스터 이온을 $5\times10^{-14}\textrm{cm}^2$ 만큼을 ITO 표면에 조사시킨 경우에는 표면이 평탄화되었다. 또한 표면 거칠기가 0.3 nm 정도인 Si 기판 위에 $CO_2$ 클러스터 이온을 조사하면서 이온 조사량에 따른 표면 형상 및 거칠기의 변화를 조사하였다. $10^{12}\textrm{cm}^2$ 이하의 낮은 이온 조사량에서는 hillock들의 형성과 그 밀도의 증가로 표면의 거칠기가 증가하는 surface embossment 현상이 지배적으로 이루어졌으며, 형성된 hillock의 면적과 비조사된 곳의 면적이 같아지는 임계 이온 조사량부터는 hillock이 스퍼터링되고 그 원자들의 표면확산에 따른 hillock 사이의 valley들이 채워지는 스퍼터링과 표면의 평탄화가 이루어지는 구간이 관찰되었고, 그 이후 더 높은 이온 조사량부터는 깊이 방향으로의 식각이 진행되는 연차적인 충돌과정이 관찰되었다.