微纳米技术中离子的神奇作用

微纳米技术中离子的神奇作用第1页，共18页，2023年，2月20日，星期六

本文介绍了离子束雕刻技术，等离子体刻蚀和智能剥离SOI技术中离子的神奇作用。基本内容离子束雕刻等离子体刻蚀智能剥离SOITitle:TheWonderfulFunctionsofIonsinMicro-NanoTechniquesAuthors:YuAngningSunJieAbstract:Thispaperreviewsthewonderfulfunctionsofionsintheion-beamsculpting,theplasmaetchingandthesmartcutSOItechniques.Keywords:ion-beamsculptingplasmaetchingsmartcutSOI第2页，共18页，2023年，2月20日，星期六离子束雕刻(ion-beamsculpting)离子束雕刻技术是一种利用能量为KeV量级的离子束在常温下对材料表面（约5nm深）进行微细加工的技术。与传统的技术相比，离子束雕刻技术可加工的材料更广泛，可达到的尺度更微小。

[1][2]第3页，共18页，2023年，2月20日，星期六

在离子束雕刻技术中，离子的作用是既可以“打孔”，也可以“补孔”，具体起哪种作用要视环境条件而定。在低温（约4℃以下）高流量条件下，离子主要是“打孔”，这个过程可以解释为离子与待加工材料表面的物理作用，即高能离子与材料表面原子发生撞击，并把这些原子“敲”出来。在温度稍高（约5℃至室温）较低流量条件下，离子主要是“补孔”。第4页，共18页，2023年，2月20日，星期六

补孔的原理还不十分清楚，大致是这样的：有些原子被离子“敲”松了之后，会沿着表面扩散，并被类似毛细作用的力引到洞口附近，使洞口缩小。适当控制反应条件，就既可以打出稍大的孔，也可以把大孔补成很小的孔。利用离子束雕刻技术，可以制造纳米孔，从而促进其它学科的研究，如分子生物学；也可以制造纳米缝，其原理与制造纳米孔类似；还将有可能用于制造纳米量级的半导体器件，从而大幅度提高计算机的性能。第5页，共18页，2023年，2月20日，星期六等离子体刻蚀从1947年第一支晶体管的发明，到今日以集成电路为基础，以计算机为代表的信息电子产业已成为世界上最大的产业。按照高技术发展规律，超大规模集成电路的特征尺寸将越来越小，而集成度越来越高。它的发展速度历史上无与伦比。这与采用光刻和等离子体刻蚀技术的发展密切相关。在等离子体刻蚀过程中，等离子体主要有以下三点作用。[3][4]第6页，共18页，2023年，2月20日，星期六

一、产生反应性很高的活化自由基。如CF4→CF3—+F—CCl4→CCl3—

+

Cl—二、提高刻蚀速率。例如在Ar等离子体中放入Cl，由于等离子体与Cl的协同作用，硅的刻蚀速率在量级上既远大于单独的刻蚀气，又远大于单独的等离子体。三、产生各向异性刻蚀，且按直线进行。

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设待刻材料如图1所示。湿化学刻蚀，即湿法刻蚀通常是各向同性的（图2）。其水平方向与竖直方向上的刻蚀率是相同的。

图1图2第8页，共18页，2023年，2月20日，星期六

在掩膜下面的薄膜中产生的切槽宽度a等于薄膜厚度b，直到刻蚀达到薄膜与衬底的交界处。若继续刻蚀，对侧面的腐蚀也将继续，薄膜边剖面将几乎成竖直的（图3）。

图3第9页，共18页，2023年，2月20日，星期六

若用湿化学法刻蚀1μm厚的薄膜，顶部的刻蚀宽度至少为3μm。

等离子体刻蚀只有与离子轰击方向垂直的平面薄膜被刻蚀，而与离子运动方向平行的边壁上的物质免遭腐蚀。可见等离子体刻蚀是按直线进行的各向异性刻刻蚀（图4）。为了精密控制电路元件的尺寸，等离子体刻蚀必不可少。

图4第10页，共18页，2023年，2月20日，星期六智能剥离SOI技术

SOI（Silicon-on-Insulator，即在体硅上生长单晶硅膜）技术可以解决体硅集成电路由于粒子辐照和高温等因素而失效的问题。智能剥离技术是众多SOI技术之一。它的智能表现在其剥离方式的巧妙：它向硅片内注入氢离子或氦离子，控制工艺条件，在所需深度产生汽泡层，加热使之膨胀，致使上层硅膜与基体分离。它的智能还表现在可以先根据所需上层硅膜的厚度用计算机程序设计好注入离子的能量，通过调整离子的注入能量，可方便地得到相应的不同厚度的上层硅膜。

[5]第11页，共18页，2023年，2月20日，星期六人们发现注入硅片的氢的附近出现空腔层。F.Paszti等发现氦注入硅出现薄层剥落现象。人们得到一个道理：当注入硅片内的氢离子或氦离子达到一定量的时候，可在硅内形成一个气泡层，气泡内的压强随着温度的升高而增加，在一定温度下，气体压强对上层硅膜产生的压力有可能使上层硅膜与基底在射程处分开。基于此理，Ｍ.Bruel等提出了智能剥离技术。（见图5）第12页，共18页，2023年，2月20日，星期六智能剥离技术的原理如所示，主要有三个步骤：1）离子注入。在特定条件下，以一定能量向硅片A注入一定剂量的氢离子或氦离子，用以在硅表层下产生一个气泡层。2）键合。将硅片A与另一硅片B严格清洁，于室温下键合。B表面的二氧化硅充当未来SOI结构中的绝缘层，而整个B将成为SOI结构中的支撑片。3）两步热处理。第一步热处理中，注入后的A将从氢离子气泡层分开，上层硅膜与B键合在一起，形成SOI结构，下层可循环作下一步B使用。再将所得SOI片进行高温处理，以加强键合强度。图5第13页，共18页，2023年，2月20日，星期六智能剥离具有以下优点：1）注入剂量小。2）退火温度低。3）在工艺上更易实现。4）由智能剥离技术制得的SOI材料质量更高。由此可见，智能剥离技术无疑将成为SOI制备技术中有竞争力的新工艺，有力地促进SOI技术的进一步发展。第14页，共18页，2023年，2月20日，星期六参考文献

[1]JialiLi,Derekstein,CiaranMcMullan,etal.Ion-beamSculptingatNanometerLengthScales[J]:Nature,2001,412;166,169[2]J.TersoffLessIsMore[J]:Nature,2001,412,;135,136第15页，共18页，2023年，2月20日，星期六参考文献[3]BurgerRM,GlazeJA,SeidelT.SolidStateTechnology,1995,38(2):42-46[4]LevensonDM.SolidStateTechnology,1995,38(9):81-82第16页，共18页，