【摘要】：聚焦離子束(Focused Ion Beam,FIB)是一種集原位材料表征、材料去除和材料沉積于一體的納米級(jí)離子束操作手段,在納米尺度制造中占有著重要的地位。然而,聚焦離子束銑削形成的表面非晶改性層和鎵Ga金屬污染層會(huì)顯著影響器件的光學(xué)、電學(xué)和機(jī)械性能。為優(yōu)化聚焦離子束加工工藝、提高聚焦離子束加工精度、改善器件性能,本文針對(duì)聚焦離子束納米加工中存在的離子注入損傷和離子注入改性等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了研究,探索了聚焦離子束的加工損傷及其修復(fù)方法等微觀作用機(jī)理。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)手段不足的缺點(diǎn),提出了采用分子動(dòng)力學(xué)(MD)仿真及納米尺度顯微表征技術(shù)相結(jié)合的手段,構(gòu)建了采用Tersoff-ZBL結(jié)合勢(shì)描述原子間相互作用的Ga-FIB納米加工及后退火分子動(dòng)力學(xué)模型,系統(tǒng)的研究了典型脆性半導(dǎo)體材料——單晶硅的聚焦離子束納米加工形成機(jī)理及其修復(fù)方法,從納米尺寸和納秒時(shí)間尺度闡釋了FIB納米加工過(guò)程中的離子注入損傷形成機(jī)理。主要研究成果包括:1.采用徑向分布函數(shù)、鍵長(zhǎng)鍵角分布、共近鄰分析、均方根粗糙度等方法研究了離子束能量(0.5 keV、1 keV、2 keV)、離子注入劑量、束流密度等FIB加工參數(shù)對(duì)樣品內(nèi)部損傷的影響規(guī)律。MD研究表明,基底損傷深度和橫向損傷范圍均隨著離子注入能量和劑量的增加而增加。離子轟擊初期,硅內(nèi)部只產(chǎn)生點(diǎn)缺陷及分散的小缺陷團(tuán),硅內(nèi)部缺陷濃度隨著離子注入劑量線性增長(zhǎng);在分散的缺陷團(tuán)向連續(xù)非晶層演變的過(guò)程中,缺陷生長(zhǎng)速度不斷降低;形成連續(xù)非晶層后,缺陷濃度增長(zhǎng)非常緩慢。原子力顯微鏡測(cè)量得到的FIB加工區(qū)域的表面隆起現(xiàn)象是由表面粗糙度的增加和表面密度的降低二者共同作用引起的。束流密度大于3.5×1023 cm-2s-1時(shí),局部溫度累積效應(yīng)使得硅片表面溫度高于熔點(diǎn),材料濺射產(chǎn)額劇增。采用蒙特卡洛方法研究了離子注入角度和束流能量對(duì)濺射產(chǎn)額、入射離子分布、靶材損傷的影響。相關(guān)研究成果彌補(bǔ)了單晶硅材料Ga-FIB納米加工機(jī)理方面的不足。2.使用各種顯微結(jié)構(gòu)表征手段(X射線光電子能譜深度分析、拉曼光譜、透射電鏡、能譜儀、原子力顯微鏡等)對(duì)材料形成過(guò)程中表面/近表面的微觀結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行檢測(cè)和觀察,揭示了聚焦離子束加工參數(shù)對(duì)聚焦離子束輻照損傷層性質(zhì)的影響規(guī)律。通過(guò)在真空環(huán)境下對(duì)去除表面氧化層的硅片進(jìn)行原位聚焦離子束掩模加工及刻蝕實(shí)驗(yàn),闡明了一種基于表面致密鎵團(tuán)簇層的聚焦離子束掩�？箍涛g機(jī)制,解決了真空無(wú)氧環(huán)境下聚焦離子束-氟化氙氣體輔助刻蝕掩膜技術(shù)中的關(guān)鍵問(wèn)題。3.構(gòu)建了FIB損傷層退火的分子動(dòng)力學(xué)模型,揭示了FIB納米溝槽的退火修復(fù)機(jī)理。MD研究表明,退火過(guò)程中再結(jié)晶發(fā)生在c-Si/a-Si界面上,單晶硅再生長(zhǎng)過(guò)程從損傷層底部朝著硅片表面進(jìn)行的同時(shí);從FIB加工區(qū)域四周向著中心進(jìn)行。CNA損傷分析表明,溫度為0.863 Tmc時(shí)再結(jié)晶速度最快,僅用時(shí)2.0ns。退火溫度接近單晶硅熔點(diǎn)(=0.94 Tmc)時(shí),除了在位于非晶硅層底部的c-Si/a-Si界面附近發(fā)生再結(jié)晶,表層還發(fā)生單晶硅融化現(xiàn)象。提出了基于再結(jié)晶過(guò)程中非晶/單晶界面運(yùn)動(dòng)的鎵團(tuán)聚及析出機(jī)制,確立了聚焦離子束注入及退火過(guò)程中鎵團(tuán)聚及析出的關(guān)鍵機(jī)理。4.開(kāi)展了FIB鎵離子注入單晶硅的真空管式爐退火實(shí)驗(yàn)研究,通過(guò)調(diào)整退火溫度和時(shí)間,基于拉曼光譜和XPS的定量分析,分析和評(píng)價(jià)了Ga-FIB加工參數(shù)及退火工藝對(duì)聚焦離子束加工損傷的改善及修復(fù)程度。揭示了鎵離子團(tuán)聚、遷移和析出等納觀行為對(duì)Ga-FIB損傷區(qū)域修復(fù)過(guò)程和FIB加工區(qū)域表面形貌的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)表明,退火溫度為800℃、保溫時(shí)間為30min時(shí),可以實(shí)現(xiàn)鎵離子的完全析出和非晶硅完全恢復(fù)成單晶結(jié)構(gòu)。離子劑量達(dá)到1×1018ions?cm-2時(shí),大量Ga離子的析出使得非晶硅能夠?qū)崿F(xiàn)300℃低溫退火再結(jié)晶;此外,大Ga離子注入劑量還能導(dǎo)致退火后在樣品表面形成非晶硅顆粒。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TN304.12;TN305

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2362970