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1、微納米技術(shù)中離子的神奇作用孫潔 PB01018001 于盎寧 PB01018005中科大外語系 合肥 230026 本文介紹了離子束雕刻技術(shù)，等離子體刻蝕和智能剝離SOI技術(shù)中離子的神奇作用?；緝?nèi)容離子束雕刻等離子體刻蝕智能剝離SOITitle: The Wonderful Functions of Ions in Micro-Nano TechniquesAuthors: Yu Angning Sun JieAbstract: This paper reviews the wonderful functions of ions in the ion-beam sculpting, the

2、plasma etching and the smartcut SOI techniques.Key words: ion-beam sculpting plasma etching smart cut SOI 離子束雕刻(ion-beam sculpting) 離子束雕刻技術(shù)是一種利用能量為KeV量級的離子束在常溫下對材料表面（約5nm深）進(jìn)行微細(xì)加工的技術(shù)。與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，離子束雕刻技術(shù)可加工的材料更廣泛，可達(dá)到的尺度更微小。 12 在離子束雕刻技術(shù)中，離子的作用是既可以“打孔”，也可以“補(bǔ)孔”， 具體起哪種作用要視環(huán)境條件而定。 在低溫（約4以下）高流量條件下，離子主要是“打孔”，這個

3、過程可以解釋為離子與待加工材料表面的物理作用，即高能離子與材料表面原子發(fā)生撞擊，并把這些原子“敲”出來。 在溫度稍高（約5至室溫）較低流量條件下，離子主要是“補(bǔ)孔”。 補(bǔ)孔的原理還不十分清楚，大致是這樣的：有些原子被離子“敲”松了之后，會沿著表面擴(kuò)散，并被類似毛細(xì)作用的力引到洞口附近，使洞口縮小。 適當(dāng)控制反應(yīng)條件，就既可以打出稍大的孔，也可以把大孔補(bǔ)成很小的孔。 利用離子束雕刻技術(shù)，可以制造納米孔，從而促進(jìn)其它學(xué)科的研究，如分子生物學(xué)；也可以制造納米縫，其原理與制造納米孔類似；還將有可能用于制造納米量級的半導(dǎo)體器件，從而大幅度提高計(jì)算機(jī)的性能。等離子體刻蝕 從1947年第一支晶體管的發(fā)明，到

4、今日以集成電路為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為代表的信息電子產(chǎn)業(yè)已成為世界上最大的產(chǎn)業(yè)。按照高技術(shù)發(fā)展規(guī)律，超大規(guī)模集成電路的特征尺寸將越來越小，而集成度越來越高。它的發(fā)展速度歷史上無與倫比。這與采用光刻和等離子體刻蝕技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。 在等離子體刻蝕過程中 ，等離子體主要有以下三點(diǎn)作用。 34 一、產(chǎn)生反應(yīng)性很高的活化自由基。如 CF4 CF3 + F CCl4 CCl3 + Cl 二、提高刻蝕速率。例如在Ar等離子體中放入Cl，由于等離子體與Cl的協(xié)同作用，硅的刻蝕速率在量級上既遠(yuǎn)大于單獨(dú)的刻蝕氣，又遠(yuǎn)大于單獨(dú)的等離子體。 三、產(chǎn)生各向異性刻蝕，且按直線進(jìn)行。 設(shè)待刻材料如圖1所示。濕化學(xué)刻蝕，即濕法

5、刻蝕通常是各向同性的（圖2）。其水平方向與豎直方向上的刻蝕率是相同的。 圖 1圖 2 在掩膜下面的薄膜中產(chǎn)生的切槽寬度a等于薄膜厚度b，直到刻蝕達(dá)到薄膜與襯底的交界處。若繼續(xù)刻蝕，對側(cè)面的腐蝕也將繼續(xù)，薄膜邊剖面將幾乎成豎直的（圖3）。 圖 3 若用濕化學(xué)法刻蝕1m厚的薄膜，頂部的刻蝕寬度至少為3m。 等離子體刻蝕只有與離子轟擊方向垂直的平面薄膜被刻蝕，而與離子運(yùn)動方向平行的邊壁上的物質(zhì)免遭腐蝕?？梢姷入x子體刻蝕是按直線進(jìn)行的各向異性刻刻蝕（圖4）。為了精密控制電路元件的尺寸，等離子體刻蝕必不可少。 圖 4智能剝離SOI技術(shù) SOI（Silicon-on-Insulator，即在體硅上生長單晶

6、硅膜）技術(shù)可以解決體硅集成電路由于粒子輻照和高溫等因素而失效的問題。 智能剝離技術(shù)是眾多SOI技術(shù)之一。它的智能表現(xiàn)在其剝離方式的巧妙：它向硅片內(nèi)注入氫離子或氦離子，控制工藝條件，在所需深度產(chǎn)生汽泡層，加熱使之膨脹，致使上層硅膜與基體分離。它的智能還表現(xiàn)在可以先根據(jù)所需上層硅膜的厚度用計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)好注入離子的能量，通過調(diào)整離子的注入能量，可方便地得到相應(yīng)的不同厚度的上層硅膜。 5 人們發(fā)現(xiàn)注入硅片的氫的附近出現(xiàn)空腔層。F.Paszti等發(fā)現(xiàn)氦注入硅出現(xiàn)薄層剝落現(xiàn)象。 人們得到一個道理：當(dāng)注入硅片內(nèi)的氫離子或氦離子達(dá)到一定量的時候，可在硅內(nèi)形成一個氣泡層，氣泡內(nèi)的壓強(qiáng)隨著溫度的升高而增加，在一

7、定溫度下，氣體壓強(qiáng)對上層硅膜產(chǎn)生的壓力有可能使上層硅膜與基底在射程處分開。 基于此理，.Bruel等提出了智能剝離技術(shù)。 （見圖 5）智能剝離技術(shù)的原理 如 所示，主要有三個步驟： 1）離子注入。在特定條件下，以一定能量向硅片A注入一定劑量的氫離子或氦離子，用以在硅表層下產(chǎn)生一個氣泡層。 2）鍵合。將硅片A與另一硅片B嚴(yán)格清潔，于室溫下鍵合。B表面的二氧化硅充當(dāng)未來SOI結(jié)構(gòu)中的絕緣層，而整個B將成為SOI結(jié)構(gòu)中的支撐片。 3）兩步熱處理。第一步熱處理中，注入后的A將從氫離子氣泡層分開，上層硅膜與B鍵合在一起，形成SOI結(jié)構(gòu)，下層可循環(huán)作下一步B使用。再將所得SOI片進(jìn)行高溫處理，以加強(qiáng)鍵合強(qiáng)

8、度。圖5智能剝離具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1）注入劑量小。 2）退火溫度低。 3）在工藝上更易實(shí)現(xiàn)。 4）由智能剝離技術(shù)制得的SOI材料質(zhì)量更高。由此可見，智能剝離技術(shù)無疑將成為SOI制備技術(shù)中有競爭力的新工藝，有力地促進(jìn)SOI技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。參考文獻(xiàn) 1 Jiali Li, Derek stein, Ciaran McMullan, et al. Ion-beam Sculpting at Nanometer Length Scales J: Nature, 2001,412; 166, 1692 J.Tersoff Less Is More J: Nature, 2001, 412,;135,136參考文獻(xiàn)3Burger R M, Glaze J A,Seidel T. Solid State Technology, 1995,38(2): 42-464Levenson D