The uncontrolled development of nanoscale roughness during plasma exposure of polymer surfaces is a major issue in the field of semiconductor processing. In this paper, we investigated the question of a possible relationship between the formation of nanoscale roughening and the simultaneous introduction of a nanometer-thick, densified surface layer that is formed on polymers due to plasma damage. Polystyrene films were exposed to an Ar discharge in an inductively coupled plasma reactor with controllable substrate bias and the properties of the modified surface layer were changed by varying the maximum Ar+ ion energy. The modified layer thickness, chemical, and mechanical properties were obtained using real-time in situ ellipsometry, x-ray photoelectron spectroscopy, and modeled using molecular dynamics simulation. The surface roughness after plasma exposure was measured using atomic force microscopy, yielding the equilibrium dominant wavelength λ and amplitude A of surface roughness. The comparison of measured surface roughness wavelength and amplitude data with values of λ and A predicted from elastic buckling theory utilizing the measured properties of the densified surface layer showed excellent agreement both above and below the glass transition temperature of polystyrene. This agreement strongly supports a buckling mechanism of surface roughness formation.

1.
H.
Ito
,
IBM J. Res. Dev.
45
,
683
(
2001
).
2.
T.
Li
,
Z. Y.
Huang
,
Z. C.
Xi
,
S. P.
Lacour
,
S.
Wagner
, and
Z.
Suo
,
Mech. Mater.
37
,
261
(
2005
).
3.
F. D.
Egitto
and
L. J.
Matienzo
,
IBM J. Res. Dev.
38
,
423
(
1994
).
4.
J. J.
Végh
,
D.
Nest
,
D. B.
Graves
,
R.
Bruce
,
S.
Engelmann
,
T.
Kwon
,
R. J.
Phaneuf
,
G. S.
Oehrlein
,
B. K.
Long
, and
C. G.
Willson
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
233113
(
2007
).
5.
D.
Nest
,
D. B.
Graves
,
S.
Engelmann
,
R. L.
Bruce
,
F.
Weilnboeck
,
G. S.
Oehrlein
,
C.
Andes
, and
E. A.
Hudson
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
153113
(
2008
).
6.
E.
Pargon
,
K.
Menguelti
,
M.
Martin
,
A.
Bazin
,
O.
Chaix-Pluchery
,
C.
Sourd
,
S.
Derrough
,
T.
Lill
, and
O.
Joubert
,
J. Appl. Phys.
105
,
094902
(
2009
).
7.
D. T.
Clark
and
A.
Dilks
,
J. Polym. Sci. Pol. Chem. Ed.
15
,
2321
(
1977
).
8.
Y.
Koval
,
J. Vac. Sci. Technol. B
22
,
843
(
2004
).
9.
A. R.
Pal
,
R. L.
Bruce
,
F.
Weilnboeck
,
S.
Engelmann
,
T.
Lin
,
M. -S.
Kuo
,
R.
Phanuef
, and
G. S.
Oehrlein
,
J. Appl. Phys.
105
,
013311
(
2009
).
10.
M.
Sumiya
,
R.
Bruce
,
S.
Engelmann
,
F.
Weilnboeck
, and
G. S.
Oehrlein
,
J. Vac. Sci. Technol. B
26
,
1637
(
2008
).
11.
J. J.
Végh
,
D.
Nest
,
D. B.
Graves
,
R.
Bruce
,
S.
Engelmann
,
T.
Kwon
,
R. J.
Phaneuf
,
G. S.
Oehrlein
,
B. K.
Long
, and
C. G.
Willson
,
J. Appl. Phys.
104
,
034308
(
2008
).
12.
O.
Joubert
,
P.
Czuprynski
,
F. H.
Bell
,
P.
Berruyer
, and
R.
Blanc
,
J. Vac. Sci. Technol. B
15
,
629
(
1997
).
13.
B. K.
Gan
,
M. M. M.
Bilek
,
A.
Kondyurin
,
K.
Mizuno
, and
D. R.
McKenzie
,
Nucl. Instrum. Methods. Phys. Res. B
247
,
254
(
2006
).
14.
J. V.
Zaporojtchenko
J.
Zekonyte
,
S.
Willie
,
U.
Schuermann
and
F.
Faupel
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
236
,
95
(
2005
).
15.
M. C.
Coen
,
P.
Groening
,
G.
Dietler
, and
L.
Schlapbach
,
J. Appl. Phys.
77
,
5695
(
1995
).
16.
N.
Negishi
,
H.
Takesue
,
M.
Sumiya
,
T.
Yoshida
,
Y.
Momonoi
, and
M.
Izawa
,
J. Vac. Sci. Technol. B
23
,
217
(
2005
).
17.
R. L.
Bruce
,
S.
Engelmann
,
T.
Lin
,
T.
Kwon
,
R. J.
Phaneuf
,
G. S.
Oehrlein
,
B. K.
Long
,
C. G.
Willson
,
J. J.
Vegh
,
D.
Nest
,
D. B.
Graves
, and
A.
Alizadeh
,
J. Vac. Sci. Technol. B
27
,
1142
(
2009
).
18.
N.
Bowden
,
W. T. S.
Huck
,
K. E.
Paul
, and
G. M.
Whitesides
,
Appl. Phys. Lett.
75
,
2557
(
1999
).
19.
N.
Bowden
,
S.
Brittain
,
A. G.
Evans
,
J. W.
Hutchinson
, and
G. M.
Whitesides
,
Nature (London)
393
,
146
(
1998
).
20.
H.
Jiang
,
D. -Y.
Khang
,
J.
Song
,
Y.
Sun
,
Y.
Huang
, and
J. A.
Rogers
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
104
,
15607
(
2007
).
21.
R.
Huang
,
J. Mech. Phys. Solids
53
,
63
(
2005
).
22.
C. M.
Stafford
,
C.
Harrison
,
K. L.
Beers
,
A.
Karim
,
E. J.
Amis
,
M. R.
Vanlandingham
,
H. -C.
Kim
,
W.
Volksen
,
R. D.
Miller
, and
E. E.
Simonyi
,
Nature Mater.
3
,
545
(
2004
).
23.
P. J.
Yoo
and
H. H.
Lee
,
Macromolecules
38
,
2820
(
2005
).
24.
E. P.
Chan
,
K. A.
Page
,
S. H.
Im
,
D.
Patton
,
R.
Huang
, and
C. M.
Stafford
,
Soft Matter
5
,
1
(
2009
).
25.
J. R.
Serrano
,
Q.
Xu
, and
D. G.
Cahill
,
J. Vac. Sci. Technol. A
24
,
324
(
2006
).
26.
A.
Yahata
,
S.
Urano
, and
T.
Inoue
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
36
,
6722
(
1997
).
27.
D. L.
Goldfarb
,
A. P.
Mahorowala
,
G. M.
Gallatin
,
K. E.
Petrillo
,
K.
Temple
,
M.
Angelopoulos
,
S.
Rasgon
,
H. H.
Sawin
,
S. D.
Allen
,
M. C.
Lawson
, and
R. W.
Kwong
,
J. Vac. Sci. Technol. B
22
,
647
(
2004
).
28.
J.
Kim
,
Y. S.
Chae
,
W. S.
Lee
,
J. W.
Shon
,
C. J.
Kang
,
W. S.
Han
, and
J. T.
Moon
,
J. Vac. Sci. Technol. B
21
,
790
(
2003
).
29.
M. C.
Coen
,
G.
Dietler
,
S.
Kasas
, and
P.
Groening
,
Appl. Surf. Sci.
103
,
27
(
1996
).
30.
S.
Netcheva
and
P.
Bertrand
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B
151
,
129
(
1999
).
31.
R.
Wilken
,
A.
Hollander
, and
J.
Behnisch
,
Plasmas Polym.
7
,
185
(
2002
).
32.
J. E.
Mark
,
Polymer Data Handbook
(
Oxford University Press
,
New York
,
1999
).
33.
H. G.
Tompkins
and
W. A.
McGahan
,
Spectroscopic Ellipsometry and Reflectometry
(
Wiley
,
New York
,
1999
).
34.
R. M.
France
and
R. D.
Short
,
Langmuir
14
,
4827
(
1998
).
35.
P.
Louette
,
F.
Bodino
, and
J. -J.
Pireaux
,
Surf. Sci. Spectra
12
,
96
(
2005
).
36.
D.
Briggs
and
M. P.
Seah
,
Practical Surface Analysis
(
Wiley
,
Chichester
,
1983
), p.
165
.
37.
B.
Lesiak
,
A.
Jablonski
,
Z.
Prussak
, and
P.
Mrozek
,
Surf. Sci.
223
,
213
(
1989
).
38.
P.
Prieto
,
C.
Quiros
,
E.
Elizalde
, and
J. M.
Sanz
,
J. Vac. Sci. Technol. A
24
,
396
(
2006
).
39.
T.
Schwarz-Selinger
,
A.
von Keudell
, and
W.
Jacob
,
J. Appl. Phys.
86
,
3988
(
1999
).
40.
D.
Schneider
,
T.
Schwarz
,
H. -J.
Scheibe
, and
M.
Panzer
,
Thin Solid Films
295
,
107
(
1997
).
41.
J.
Robertson
,
Mater. Sci. Eng., R.
37
,
129
(
2002
).
42.
J.
Schwan
,
S.
Ulrich
,
H.
Roth
,
H.
Ehrhardt
,
S. R. P.
Silva
,
J.
Robertson
,
R.
Samlenski
, and
R.
Brenn
,
J. Appl. Phys.
79
,
1416
(
1996
).
43.
C. A.
Davis
,
Thin Solid Films
226
,
30
(
1993
).
44.
A. I.
Kalinichenko
,
S. S.
Perepelkin
, and
V. E.
Strel’nitskij
,
Diamond Relat. Mater.
15
,
365
(
2006
).
45.
A. C.
Ferrari
,
J.
Robertson
,
M. G.
Beghi
,
C. E.
Bottani
,
R.
Ferulano
, and
R.
Pastorelli
,
Appl. Phys. Lett.
75
,
1893
(
1999
).
46.
I. W.
Gilmour
,
A.
Trainor
, and
R. N.
Haward
,
J. Appl. Polym. Sci.
23
,
3123
(
1979
).
47.
A. J.
Staverman
,
Proc. R. Soc. London, Ser. A
282
,
115
(
1964
).
48.
F.
Weilnboeck
,
R. L.
Bruce
,
S.
Engelmann
,
G. S.
Oehrlein
,
D.
Nest
,
T. -Y.
Chung
,
D.
Graves
,
M.
Li
,
D.
Wang
,
C.
Andes
, and
E. A.
Hudson
,
J. Vac. Sci. Technol. B
(to be published).
You do not currently have access to this content.