基于超低能团簇离子束自组装制备功能纳米结构的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超低能团簇离子束自组装制备功能纳米结构的方法。本发明专利技术通过调控团簇离子束的组分原子能、衬底法线与团簇离子轰击方向之间的夹角、团簇离子剂量、团簇离子种类、衬底温度等工艺参数，即可高效可控制备出尺寸均匀、方向特定、排列有序的纳米结构。特征尺寸低至6nm，超低纳米级特征尺寸助力于半导体小型化、集成化的技术发展方向。本发明专利技术技术操作简单、高效可控，基于物理溅射机理，不涉及化学反应，不存在化学污染的问题，且无需额外使用掩模版，适用于任何材质的衬底。适用于任何材质的衬底。适用于任何材质的衬底。

【技术实现步骤摘要】
基于超低能团簇离子束自组装制备功能纳米结构的方法


[0001]本专利技术涉及离子束技术与精密加工
，具体涉及一种基于超低能团簇离子束自组装制备功能纳米结构的方法。

技术介绍

[0002]随着芯片等高端、特种半导体分立器件微型化、集成化的需求，集成电路早已无处不在，闪存芯片层数逐年增多，不仅需要极小的器件栅长，其刻蚀台阶也不断向纳米级精进，对表面纳米结构的精密、细小程度提出更高要求。此外，表面纳米结构的制备也引起了光电行业、生物医学工程应用等领域的极大兴趣，例如织构化光谱吸收涂层、表面润湿、传感器、纳米摩擦学、基于表面等离子体共振的应用。
[0003]获得尺寸可控且均匀分布的纳米结构一直是个挑战，溶胶
‑
凝胶法和电化学沉积法等化学技术被广泛用于制备金属纳米结构，但化学污染物的存在、选择性化学溶液的问题难以解决，横向钻蚀也会破坏纳米结构的侧壁。激光烧蚀沉积、溅射沉积和热蒸发等技术可以减少污染，然而，如果缺少合适的光刻或物理掩模，制备的纳米结构非常不均匀，难以控制。
[0004]离子束溅射固体表面制备纳米结构是一种非常有效的方法，根据辐照条件，可以在不需要使用掩模的情况下制作各种图案。然而，传统的单原子离子载能太高，极易在待加工样品上形成不可逆的离子损伤，且只适合形成微米级波纹，无法满足芯片等集成电路的纳米化的进程。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术的问题，提供了一种基于超低能团簇离子束自组装制备功能纳米结构的方法，通过低至0.2eV/atom的团簇离子轰击衬底，形成纳米量级表面结构，避免了使用高能单原子离子束对衬底表面造成损伤的问题，可控高效，加工精度更高。
[0006]针对现有技术的不足，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0007]本专利技术提供了一种基于超低能团簇离子束自组装制备功能纳米结构的方法，其特征在于：包含如下步骤：
[0008]S1、清洁衬底：将衬底先后依次在丙酮、乙醇溶液、去离子水中超声清洗10～15、5～10、3～8分钟，利用空化作用的冲击波初步清洁衬底，丙酮溶解油污、去除可见污染物，乙醇除去残留的丙酮，去离子水除去残留的丙酮、乙醇溶液；最后在高压氮气气流或50
‑
80℃烘箱中干燥，干燥后装入超声膨胀离子源的样品室，防止受空气中灰尘的污染。
[0009]S2、引出团簇离子束：在超声膨胀离子源中，通过直径介于20～200μm的超声喷嘴将气压介于0.2
‑
1.5MPa高纯源气体绝热冷却并超声膨胀，由直径介于1.0～2.0mm的滤束器引出，形成尺寸介于50～5000atoms/cluster的中性团簇，中性团簇经过钨丝放电电离成团簇正离子，加速电极与静电透镜间的电势差将团簇离子加速至1～50kV，再磁场介于0.1～
0.5T的E
×
B磁质分离器滤除尺寸低于1500atoms/cluster的小尺寸团簇，只允许尺寸介于1500～5000atoms/cluster的大尺寸团簇离子作用于第S1步准备的衬底表面。
[0010]S3、抛光衬底：调节加速电极与静电透镜间的电势差，使得团簇加速电压介于6kV～20kV，这种中高能团簇离子束垂直撞击衬底，时长约1～5分钟，利用团簇的横向溅射效应可以快速除去衬底表面的凸起、划痕等前期损伤，形成平坦的表面，便于第S4步中刻蚀出整齐排列、可控可调节的纳米量级结构。对于表面不平、存在大量凹凸结构的衬底，需要团簇离子束进行二次清洁，以获得平坦洁净的衬底，防止凹凸表面破坏团簇粒子运行轨迹与能量转移，影响纳米结构的形成；而对于初始表面光滑，粗糙度低于0.7nm的衬底，可以直接进行第S4步。
[0011]S4、刻蚀出纳米级表面结构：旋转衬底，调节其表面法线与团簇离子轰击方向之间呈一定夹角，再次调节加速电极与静电透镜间的电势差，使得团簇加速电压介于1kV～3kV，平均组分原子能量介于0.2eV/atom～2eV/atom，调控这种超低能团簇离子束倾斜轰击靶材；具体为：
[0012]S4.1团簇轰击之前：衬底原子长程有序、整齐排列；
[0013]S4.2团簇离子轰击衬底初期，获得松动的衬底粒子：主要由团簇离子垂直于衬底表面的作用力对衬底起作用：一种操作方法为，调控衬底法线与团簇离子轰击方向之间的夹角大于零，使团簇离子倾斜轰击衬底，团簇离子垂直衬底表面方向的超低动能破坏衬底表层原子与次表层原子的结合键，而不造成溅射(即仅破坏衬底粒子间的结合键，衬底粒子并未脱离衬底)，形成了表层原子松动现象；另一种操作方法为，调控超低能团簇离子束垂直轰击衬底，获得松动的衬底粒子；
[0014]S4.2团簇离子倾斜轰击衬底末期，形成自组装纳米结构：主要由团簇离子的平行衬底表面的作用力对衬底起作用，操作方法为，调控衬底法线与团簇离子轰击方向之间的夹角大于零，使团簇离子倾斜轰击衬底，在平行衬底表面的方向形成作用力，使得初期松动的衬底粒子再由后入射的团簇离子平行于衬底表面的作用力推动发生位移，最终重新组合聚集形成波纹或点阵结构等自组装纳米结构。
[0015]上述第S1步骤中所述的衬底包括硅片、SiC、GaN等半导体衬底，不锈钢、玻璃材质等光学用衬底，以及半成型的分立器件。
[0016]上述第S2步骤中所述的高纯源气体为Ne、Ar、Kr、Xe等惰性气体，以及CO2、O2、CCl4、CF4、SF6等活性气体，纯度高于等于99.99％。
[0017]上述第S4步骤中所述的衬底法线与团簇离子轰击方向之间的夹角介于0～90
°
，具体数值取决于期望取得的纳米结构的形态与特征尺寸，特征尺寸包括波纹振幅、宽度、间距，夹角介于0～50
°
时，易获得条状的纳米波纹，夹角介于50～90
°
时，易获得针状状的纳米点阵。
[0018]上述第S4步骤中所述的超低能团簇离子束平均组分原子能量介于0.2eV/atom～2eV/atom，即可在衬底表面形成宽度介于10
‑
60nm的定向纳米级波纹，满足芯片等集成电路的纳米化需求。
[0019]上述第S4步骤中所述的团簇离子束平均组分原子能量也可以加大至6eV/atom～100eV/atom，即可在衬底表面形成宽度100nm
‑
1000nm的定向微纳波纹，满足传统工艺需求。
[0020]上述第S4步骤中所述的超低能团簇离子束倾斜轰击靶材，所用剂量介于1
×
10
11
cm
‑2～1
×
10
20
cm
‑2，具体数值取决于期望取得的纳米结构的形态与特征尺寸，剂量越高，越容易形成规则排列、整齐有序的纳米结构，而剂量越低，形成的特征尺寸越低，甚至达到亚纳米量级，利于器件小型化。
[0021]本专利技术的工作原理如下：
[0022]本专利技术技术在于通过调控团簇离子束的组分原子能、衬底法线与团簇离子轰击方向之间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超低能团簇离子束自组装制备功能纳米结构的方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、清洁衬底：将衬底先后依次在丙酮、乙醇溶液、去离子水中超声清洗10～15、5～10、3～8分钟，利用空化作用的冲击波初步清洁衬底，丙酮溶解油污、去除可见污染物，乙醇除去残留的丙酮，去离子水除去残留的丙酮、乙醇溶液；最后在高压氮气气流或50
‑
80℃烘箱中干燥，干燥后装入超声膨胀离子源的样品室，防止受空气中灰尘的污染；S2、引出团簇离子束：在超声膨胀离子源中，通过直径介于20～200μm的超声喷嘴将气压介于0.2
‑
1.5MPa高纯源气体绝热冷却并超声膨胀，由直径介于1.0～2.0mm的滤束器引出，形成尺寸介于50～5000atoms/cluster的中性团簇，中性团簇经过钨丝放电电离成团簇正离子，加速电极与静电透镜间的电势差将团簇离子加速至1～50kV，再磁场介于0.1～0.5T的E
×
B磁质分离器滤除尺寸低于1500atoms/cluster的小尺寸团簇，只允许尺寸介于1500～5000atoms/cluster的大尺寸团簇离子作用于第S1步准备的衬底表面；S3、抛光衬底：调节加速电极与静电透镜间的电势差，使得团簇加速电压介于6kV～20kV，这种中高能团簇离子束垂直撞击衬底，时长为1～5分钟，利用团簇的横向溅射效应能快速除去衬底表面的凸起、划痕等前期损伤，形成平坦的表面，便于第S4步中刻蚀出整齐排列、可控可调节的纳米量级结构；对于表面不平、存在大量凹凸结构的衬底，需要团簇离子束进行二次清洁，以获得平坦洁净的衬底，防止凹凸表面破坏团簇粒子运行轨迹与能量转移，影响纳米结构的形成；而对于初始表面光滑，粗糙度低于0.7nm的衬底，能直接进行第S4步；S4、刻蚀出纳米级表面结构：旋转衬底，调节其表面法线与团簇离子轰击方向之间的夹角，再次调节加速电极与静电透镜间的电势差，使得团簇加速电压介于1kV～3kV，平均组分原子能量介于0.2eV/atom～2eV/atom，调控这种超低能团簇离子束轰击衬底：具体为：S4.1团簇轰击之前：衬底原子长程有序、整齐排列；S4.2团簇离子轰击衬底初期，获得松动的衬底粒子：主要由团簇离子垂直于衬底表面的作用力对衬底起作用：一种操作方法为，调控衬底法线与团簇离子轰击方向之间的夹角大于零，使团簇离子倾斜轰击衬底，团簇离子垂直衬底表面方向的超低动能破坏衬底表层原子与次表层原子的结合键，而不造成溅射，即仅破坏衬底粒子间的结合键，衬底粒子并未脱离衬底，形成表层原子松动现象；另一种操作方法为，调控超低能团簇离子束垂直轰击衬底，获得松动的衬底粒子；S4.2团簇离子倾斜轰击衬底末期，形成自组装纳米结构：主要由团簇离子的平行衬底表面的作用力对衬底起作用，操作方法为，调控衬底法线与团簇离子轰击方向之间的夹角大于零，使团簇离子倾斜轰击衬底，在平行...

【专利技术属性】
技术研发人员：瓦西里，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：