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1、微纳米技术中离子的神奇作用第1页，本讲稿共18页 本文介绍了离子束雕刻技术，等离子体刻蚀和智本文介绍了离子束雕刻技术，等离子体刻蚀和智能剥离能剥离SOISOI技术中离子的神奇作用。技术中离子的神奇作用。基本内容基本内容离子束雕刻离子束雕刻等离子体刻蚀等离子体刻蚀智能剥离智能剥离SOISOITitle:The Wonderful Functions of Ions in Micro-Nano TechniquesAuthors:Yu Angning Sun JieAbstract:This paper reviews the wonderful functions of ions in the
2、ion-beam sculpting,the plasma etching and the smartcut SOI techniques.Key words:ion-beam sculpting plasma etching smart cut SOI第2页，本讲稿共18页 离子束雕刻离子束雕刻(ion-beam sculpting)离子束雕刻技术是一种利用能量为离子束雕刻技术是一种利用能量为KeVKeV量级的量级的离离子子束束在在常常温温下下对对材材料料表表面面（约约 5 5n nm m 深深）进进行行微微细细加加工工的的技技术术。与与传传统统的的技技术术相相比比，离离子子束束雕雕刻刻技技
3、术可加工的材料更广泛，可达到的尺度更微小。术可加工的材料更广泛，可达到的尺度更微小。12第3页，本讲稿共18页 在在离离子子束束雕雕刻刻技技术术中中，离离子子的的作作用用是是既既可可以以“打打孔孔”，也也可可以以“补补孔孔”，具具体体起起哪哪种种作作用用要要视视环环境境条件而定。条件而定。在在低低温温（约约44以以下下）高高流流量量条条件件下下，离离子子主主要要是是“打打孔孔”，这这个个过过程程可可以以解解释释为为离离子子与与待待加加工工材材料料表表面面的的物物理理作作用用，即即高高能能离离子子与与材材料料表表面面原原子子发发生撞击，并把这些原子生撞击，并把这些原子“敲敲”出来。出来。在在温温
4、度度稍稍高高（约约55至至室室温温）较较低低流流量量条条件件下下，离子主要是离子主要是“补孔补孔”。第4页，本讲稿共18页 补补孔孔的的原原理理还还不不十十分分清清楚楚，大大致致是是这这样样的的：有有些些原原子子被被离离子子“敲敲”松松了了之之后后，会会沿沿着着表表面面扩扩散散，并并被被类类似似毛毛细细作用的力引到洞口附近，使洞口缩小。作用的力引到洞口附近，使洞口缩小。适适当当控控制制反反应应条条件件，就就既既可可以以打打出出稍稍大大的的孔孔，也可以把大孔补成很小的孔。也可以把大孔补成很小的孔。利利用用离离子子束束雕雕刻刻技技术术，可可以以制制造造纳纳米米孔孔，从从而而促促进进其其它它学学科科
5、的的研研究究，如如分分子子生生物物学学；也也可可以以制制造造纳纳米米缝缝，其其原原理理与与制制造造纳纳米米孔孔类类似似；还还将将有有可可能能用用于于制制造造纳纳米米量量级的半导体器件，从而大幅度提高计算机的性能。级的半导体器件，从而大幅度提高计算机的性能。第5页，本讲稿共18页等离子体刻蚀等离子体刻蚀 从从19471947年第一支晶体管的发明，到今日以集年第一支晶体管的发明，到今日以集成成电电路路为为基基础础，以以计计算算机机为为代代表表的的信信息息电电子子产产业业已已成成为为世世界界上上最最大大的的产产业业。按按照照高高技技术术发发展展规规律律，超超大大规规模模集集成成电电路路的的特特征征尺
6、尺寸寸将将越越来来越越小小，而而集集成成度度越越来来越越高高。它它的的发发展展速速度度历历史史上上无无与与伦伦比比。这这与与采采用光刻和等离子体刻蚀技术的发展密切相关。用光刻和等离子体刻蚀技术的发展密切相关。在在等等离离子子体体刻刻蚀蚀过过程程中中 ，等等离离子子体体主主要要有有以下三点作用。以下三点作用。34第6页，本讲稿共18页 一、产生反应性很高的活化自由基。一、产生反应性很高的活化自由基。如如 CF4 CF3 +F CCl4 CCl3 +Cl 二、提高刻蚀速率。例如在二、提高刻蚀速率。例如在Ar等离子体中等离子体中放入放入Cl，由于等离子体与，由于等离子体与Cl的协同作用，硅的刻蚀的协
7、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。的等离子体。三、产生各向异性刻蚀，且按直线进行。三、产生各向异性刻蚀，且按直线进行。第7页，本讲稿共18页 设待刻材料如图设待刻材料如图1 1所示。湿化学刻蚀，即湿法刻蚀所示。湿化学刻蚀，即湿法刻蚀通常是各向同性的（图通常是各向同性的（图2 2）。其水平方向与竖直方向上）。其水平方向与竖直方向上的刻蚀率是相同的。的刻蚀率是相同的。图图 1 1图图 2 2第8页，本讲稿共18页 在掩膜下面的薄膜中产生的切槽宽度在掩膜下面的薄膜中产生的切槽宽度a a等于薄膜等于薄膜厚度厚度b b
8、，直到刻蚀达到薄膜与衬底的交界处。若继续刻，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蚀，对侧面的腐蚀也将继续，薄膜边剖面将几乎成竖直的（图直的（图3 3）。）。图图 3 3第9页，本讲稿共18页 若用湿化学法刻蚀若用湿化学法刻蚀1 1mm厚的薄膜，顶部的刻蚀宽厚的薄膜，顶部的刻蚀宽度至少为度至少为3m3m。等离子体刻蚀只有与离子轰击方向垂直的平面薄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遭腐蚀。可见等离子体刻蚀
9、是按直线进行的各向异性刻刻蚀（图刻刻蚀（图4 4）。为了精密控制电路元件的尺寸，等离）。为了精密控制电路元件的尺寸，等离子体刻蚀必不可少。子体刻蚀必不可少。图图 4 4第10页，本讲稿共18页智能剥离智能剥离SOISOI技术技术 SOISOI（Silicon-on-Insulator，即即在体硅上生长单在体硅上生长单晶硅膜晶硅膜）技术可以解决体硅集成电路由于粒子辐照和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。高温等因素而失效的问题。智能剥离技术是众多智能剥离技术是众多SOISOI技术之一。它的智能表现技术之一。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在其剥离
10、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。能量，可方便地得到相应的不同厚度的上层硅膜。55第11页，本讲稿共18页 人们发现注入硅片的氢的附近出现空腔层。人们发现注入硅片的氢的附近出现空腔层。F.PasztiF
11、.Paszti等发现氦注入硅出现薄层剥落现象。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。上层硅膜与基底在射程处分开。基于此理，基于此理，.BruelBruel等提出了智能剥离技术。等提出了智能剥离技术。（见图（见图 5 5）第12页，本讲
12、稿共18页智能剥离技术的原理智能剥离技术的原理 如如 所示，主要有三个步骤：所示，主要有三个步骤：1 1）离子注入。在特定条件下，以一定能量向硅）离子注入。在特定条件下，以一定能量向硅片片A A注入一定剂量的氢离子或氦离子，用以在硅表层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。下产生一个气泡层。2 2）键合。将硅片）键合。将硅片A A与另一硅片与另一硅片B B严格清洁，于室温严格清洁，于室温下键合。下键合。B B表面的二氧化硅充当未来表面的二氧化硅充当未来SOISOI结构中的绝缘结构中的绝缘层，而整个层，而整个B B将成为将成为SOISOI结构中的支撑片。结构中的支撑片。3
13、3）两步热处理。第一步热处理中，注入后的）两步热处理。第一步热处理中，注入后的A A将将从氢离子气泡层分开，上层硅膜与从氢离子气泡层分开，上层硅膜与B B键合在一起，形成键合在一起，形成SOISOI结构，下层可循环作下一步结构，下层可循环作下一步B B使用。再将所得使用。再将所得SOISOI片片进行高温处理，以加强键合强度进行高温处理，以加强键合强度。图图5 5第13页，本讲稿共18页智能剥离具有以下优点：智能剥离具有以下优点：1 1）注入剂量小。）注入剂量小。2 2）退火温度低。）退火温度低。3 3）在工艺上更易实现。）在工艺上更易实现。4 4）由智能剥离技术制得的）由智能剥离技术制得的SO
14、ISOI材料质量更高。材料质量更高。由此可见，智能剥离技术无疑将成为由此可见，智能剥离技术无疑将成为SOISOI制备技术制备技术中有竞争力的新工艺，有力地促进中有竞争力的新工艺，有力地促进SOISOI技术的进一技术的进一步发展。步发展。第14页，本讲稿共18页参考文献参考文献 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,;1
15、35,136第15页，本讲稿共18页参考文献参考文献3Burger R M,Glaze J A,Seidel T.Solid State Technology,1995,38(2):42-464Levenson D M.Solid State Technology,1995,38(9):81-82第16页，本讲稿共18页参考文献参考文献55张苗张苗 竺士炀竺士炀 林成鲁林成鲁 智能剥离智能剥离有竞争力的有竞争力的SOISOI制备新技术：物理，制备新技术：物理，19971997年年 第第3 3期期 第：第：2626卷：卷：155-159155-159。第17页，本讲稿共18页图图 5 5硅膜硅膜氢离子注入层氢离子注入层Si基底基底SiO2Si基底基底键合键合第18页，本讲稿共18页