[论文解读] Variation of the metallic content of Focused Electron Beam Induced Deposition of Cobalt

Laurent Bernau, Mihai Gabureac+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2010

Electron and X-Ray Spectroscopy Techniques参考文献 18被引用 43

一句话总结

本研究证明，通过调节停留时间，可在平面聚焦电子束诱导沉积（FEBID）中精确调控二羰基钴（Co2(CO)8）的钴含量，使其在20至70 at.%之间变化。这种变化源于腔室背景中存在烃类物质的共沉积，这些烃类在较长停留时间下被选择性耗尽，从而提高了钴羰基在沉积物中的相对贡献，实现了对磁性传感应用中金属成分的控制。

ABSTRACT

Cobalt-containing deposits from Cobalt carbonyl are experimentally produced and their composition is measured. The Cobalt concentration is found to be readily tunable between 20 and 70 at.% by variation of the dwell time. The variations in metallic concentration are explained by co-deposition of hydrocarbons present in the chamber background pressure.

研究动机与目标

• 研究使用二羰基八羰基钴作为前驱体时，平面FEBID沉积物中金属钴含量的可调性。
• 识别FEBID沉积物成分变化的根源，特别是腔室背景中残留烃类的作用。
• 建立一个双组分共沉积模型，以解释钴浓度随停留时间变化的观测结果。
• 实现在FEBID沉积物中对磁性和电学性能的精确控制，适用于亚微米霍尔传感器等应用。
• 证明在低束流FEBID中，烃类共沉积而非热效应是成分变化的主要因素。

提出的方法

• 在SiO2涂层硅基底上，使用25 kV、1 nA电子束进行FEBID，前驱体通量控制在约4.4 × 10^15 molecules/s。
• 停留时间在两个数量级范围内变化（500 ns至50 µs），同时保持总沉积剂量恒定在10 C/cm²。
• 像素间距离设定为30 nm，导致束流重叠约2倍，有效停留时间加倍。
• 采用3 keV探针的能谱法（EDX）测量成分，校准精度为±5 at.%。
• 基于表面位点占据和解离产率，建立动力学模型，同时包含钴羰基和烃类物种（如苯、PPE）。
• 模型使用公式 R_tot = V₁σ₁ft_d⁻¹∫₀^{t_d} n₁(t)dt + V₂σ₂ft_d⁻¹∫₀^{t_d} n₂(t)dt 预测生长速率和成分，其中 Y_i = σ_i t_d⁻¹ ∫₀^{t_d} n_i(t)dt 为每个电子的解离产率。

实验结果

研究问题

• RQ1 停留时间如何影响二羰基八羰基钴FEBID沉积物中金属钴的含量？
• RQ2 腔室背景中的残留烃类在决定FEBID沉积物成分方面起什么作用？
• RQ3 双组分共沉积模型能否解释钴浓度随停留时间变化的观测结果？
• RQ4 为何在相似条件下，FEBID中报道的钴浓度存在显著差异？
• RQ5 热效应在低电流FEBID中对成分变化的贡献有多大？

主要发现

• 通过将停留时间在500 ns至50 µs之间调节，平面FEBID沉积物中来自Co2(CO)8的钴含量可实现20至70 at.%的精确调控。
• 在短停留时间（≤1 µs）下，烃类共沉积占主导，导致钴含量较低（约20 at.%）。
• 在较长停留时间（>20 µs）下，烃类在局部被耗尽，钴羰基的相对贡献增加，钴含量上升至约70 at.%。
• 模型预测在极长停留时间下钴含量略有下降，这与实验趋势一致，归因于钴羰基的耗尽。
• 基于(3 µm)²沉积物的EDX测量结果，Co2(CO)8的解离产物组成估算为Co2C0.61O0.46。
• 双组分共沉积模型能准确预测生长速率和成分，证实烃类共沉积是成分调控的主要因素。