微納米技術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，等離子體刻蝕和智能剝離SOI技術中離子的神奇作用。基本內容,Title:TheWonderfulFunctionsofIonsinMicro-NanoTechniquesAuthors:YuAngningSunJieAbstract:Thispaperreviewsthewonderfulfunctionsofionsintheion-beamsculpting,theplasmaetchingandthesmartcutSOItechniques.Keywords:ion-beamsculptingplasmaetchingsmartcutSOI,離子束雕刻(ion-beamsculpting)離子束雕刻技術是一種利用能量為KeV量級的離子束在常溫下對材料表面（約5nm深）進行微細加工的技術。與傳統的技術相比，離子束雕刻技術可加工的材料更廣泛，可達到的尺度更微小。,在離子束雕刻技術中，離子的作用是既可以“打孔”，也可以“補孔”，具體起哪種作用要視環境條件而定。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“補孔”。,補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，會沿著表面擴散，并被類似毛細作用的力引到洞口附近，使洞口縮小。適當控制反應條件，就既可以打出稍大的孔，也可以把大孔補成很小的孔。利用離子束雕刻技術，可以制造納米孔，從而促進其它學科的研究，如分子生物學；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體器件，從而大幅度提高計算機的性能。,等離子體刻蝕從1947年第一支晶體管的發明，到今日以集成電路為基礎，以計算機為代表的信息電子產業已成為世界上最大的產業。按照高技術發展規律，超大規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的發展密切相關。在等離子體刻蝕過程中，等離子體主要有以下三點作用。,一、產生反應性很高的活化自由基。如CF4CF3+FCCl4CCl3+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的協同作用，硅的刻蝕速率在量級上既遠大于單獨的刻蝕氣，又遠大于單獨的等離子體。三、產生各向異性刻蝕，且按直線進行。,設待刻材料如圖1所示。濕化學刻蝕，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,在掩膜下面的薄膜中產生的切槽寬度a等于薄膜厚度b，直到刻蝕達到薄膜與襯底的交界處。若繼續刻蝕，對側面的腐蝕也將繼續，薄膜邊剖面將幾乎成豎直的（圖3）。,圖3,若用濕化學法刻蝕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，而與離子運動方向平行的邊壁上的物質免遭腐蝕。可見等離子體刻蝕是按直線進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SOI（Silicon-on-Insulator，即在體硅上生長單晶硅膜）技術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。智能剝離技術是眾多SOI技術之一。它的智能表現在其剝離方式的巧妙：它向硅片內注入氫離子或氦離子，控制工藝條件，在所需深度產生汽泡層，加熱使之膨脹，致使上層硅膜與基體分離。它的智能還表現在可以先根據所需上層硅膜的厚度用計算機程序設計好注入離子的能量，通過調整離子的注入能量，可方便地得到相應的不同厚度的上層硅膜。,人們發現注入硅片的氫的附近出現空腔層。F.Paszti等發現氦注入硅出現薄層剝落現象。人們得到一個道理：當注入硅片內的氫離子或氦離子達到一定量的時候，可在硅內形成一個氣泡層，氣泡內的壓強隨著溫度的升高而增加，在一定溫度下，氣體壓強對上層硅膜產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。,智能剝離技術的原理如所示，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，用以在硅表層下產生一個氣泡層。2）鍵合。將硅片A與另一硅片B嚴格清潔，于室溫下鍵合。B表面的二氧化硅充當未來SOI結構中的絕緣層，而整個B將成為SOI結構中的支撐片。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結構，下層可循環作下一步B使用。再將所得SOI片進行高溫處理，以加強鍵合強度。,智能剝離具有以下優點：1）注入劑量小。2）退火溫度低。3）在工藝上更易實現。4）由智能剝離技術制得的SOI材料質量更高。由此可見，智能剝離技術無疑將成為SOI制備技術中有競爭力的新工藝，有力地促進SOI技術的進一步發展。,參考文獻1JialiLi,Derekstein,CiaranMcMullan,etal.Ion-beamSculptingatNanometerLengthScalesJ:Nature,2001,412;166,1692J.TersoffLessIsMoreJ:Nature,2001,412,;135,136,參考文獻3BurgerRM,GlazeJA,SeidelT.SolidStateTechnology,1995,38(2):42-464LevensonDM