微納米技術(shù)中離子的神奇作用

微納米技術(shù)中離子的神奇作用第一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二

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。基本內(nèi)容離子束雕刻等離子體刻蝕智能剝離SOITitle:TheWonderfulFunctionsofIonsinMicro-NanoTechniquesAuthors:YuAngningSunJieAbstract:Thispaperreviewsthewonderfulfunctionsofionsintheion-beamsculpting,theplasmaetchingandthesmartcutSOItechniques.Keywords:ion-beamsculptingplasmaetchingsmartcutSOI第二頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二離子束雕刻(ion-beamsculpting)離子束雕刻技術(shù)是一種利用能量為KeV量級(jí)的離子束在常溫下對(duì)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。

[1][2]第三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二

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(gè)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”。第四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二

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(huì)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(jí)的半導(dǎo)體器件，從而大幅度提高計(jì)算機(jī)的性能。第五頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二等離子體刻蝕從1947年第一支晶體管的發(fā)明，到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。[3][4]第六頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二

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(jí)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。

第七頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二

設(shè)待刻材料如圖1所示。濕化學(xué)刻蝕，即濕法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第八頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二

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(duì)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第九頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二

若用濕化學(xué)法刻蝕1μm厚的薄膜，頂部的刻蝕寬度至少為3μm。

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(dòng)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第十頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二智能剝離SOI技術(shù)

SOI（Silicon-on-Insulator，即在體硅上生長單晶硅膜）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]第十一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二人們發(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(gè)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(shí)候，可在硅內(nèi)形成一個(gè)氣泡層，氣泡內(nèi)的壓強(qiáng)隨著溫度的升高而增加，在一定溫度下，氣體壓強(qiáng)對(duì)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?；诖死恚?Bruel等提出了智能剝離技術(shù)。（見圖5）第十二頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二智能剝離技術(shù)的原理如所示，主要有三個(gè)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(gè)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(gè)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)度。圖5第十三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二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。第十四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二參考文獻(xiàn)

[1]JialiLi,Derekstein,CiaranMcMullan,etal.Ion-beamSculptingatNanometerLengthScales[J]:Nature,2001,412;166,169[2]J.TersoffLessIsMore[J]:Nature,2001,412,;135,136第十五頁，共十八頁，編輯于2023年，星期二參考文獻(xiàn)[3]BurgerRM,GlazeJA,SeidelT.SolidStateTechnology,1995,38(2):42-46[4]LevensonDM.SolidStateTechnology,1995,38(9):81-82第十六頁