CN111463122B - 基于极紫外光的原子级材料可控去除方法 - Google Patents
基于极紫外光的原子级材料可控去除方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种基于极紫外光超短脉冲的原子层去除加工新方法，能够有效避免机械加工带来的表面损伤，通过增加辐照面积以及极紫外光束与载物工作台的相对运动，可满足实际生产的高效率要求；同时，由于所有材料对极紫外光具有强吸收作用，且吸收过程集中在极表层，因此与现有激光加工技术相比，显著缩小了能量作用范围、提高了加工精度，并具有极强的材料普适性，满足原子级表面及结构的制造需求。
Description
技术领域
本发明属于原子及近原子尺度制造领域，涉及极紫外光超短脉冲技术，尤其是一种基于极紫外光超短脉冲的原子级材料可控去除方法。
背景技术
量子芯片、光子芯片等信息领域下一代核心器件是各国未来科技竞争的焦点。由于此类下一代核心器件的表面及特征结构已达到原子量级，对能量场的尺寸变化非常敏感。原子级表面是未来核心器件的基本要素，它一方面具有原子及近原子级的粗糙度、形状误差等几何精度，同时要求材料晶格也处于低损伤甚至无损伤状态。这种逼近材料极限的表面质量已经是包括能源、新型材料、信息、及环境等各领域的迫切需求，成为决定元器件工作性能的关键因素。
高精度的保障依赖于制造技术的进步，早期以经验和技艺为基础的制造精度仅为毫米级，随着机械装备、自动化、超精密机床与光刻技术的相继问世，现阶段制造已经达到微米与纳米级可控精度。目前虽然存在可实现原子及近原子级表面的若干途径，但由于尚处于实验室阶段或局限于概念探索，无法作为成熟的制造方案。如扫描隧道显微镜(STM)能够对单个原子进行操纵，但极低的工作效率阻碍了其成为适合原子级表面批量生产的制造工艺；原子层刻蚀/沉积技术能够实现薄膜厚度的原子尺度增减，然而化学过程要求工件与反应气体具有较强的对应性，且难以获得单晶沉积层；对于机械方法，当刀具的切入深度控制在亚纳米至原子尺度时，理论上能够实现原子层量级的材料去除，然而受到装备定位精度、刀具刃口锋锐程度等诸多因素限制，目前只能做到纳米尺度可控。
理想的原子级表面制造技术应具有三个特点：(i)材料迁移量(增、减或转移)处于原子尺度，这也是原子级精度的必要保障；(ii)对基底表面的损伤范围应限制在原子尺度；(iii)效率与材料普适性满足实际生产需求。基于光与物质相互作用的加工方法具有同时满足上述特点的潜力，但目前激光加工技术仍处于纳米精度阶段。因此，如何降低光在物质中的能量沉积深度、减小晶格损伤，并实现原子尺度的可控材料迁移是亟待解决的关键问题，对制造技术从纳米精度向原子尺度的革命性转变具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于极紫外光(EUV)超短脉冲的原子级材料可控去除的表面及结构制造新方法，利用极紫外波段材料的强吸收与能量沉积的高度表面局域化独特性质，旨在对材料表面进行单个或几个原子层量级的去除加工，获得原子级低/无损伤高质量表面。
本发明解决技术问题的方案如下：
一种基于极紫外光的原子级材料可控去除方法，极紫外光辐照材料表面，对材料表面进行单个或两个以上原子层量级的去除加工。
所述的材料为晶体或非晶材料。
所述的晶体材料具有规则的原子排列，如硅、碳化硅、金刚石、金、铝等；所述的非晶材料具有不规则的原子排列，如玻璃、PMMA、非晶合金。
极紫外光子能量处于30-250eV范围内，其能量下限(对应41.3nm波长)覆盖了所有元素的第一电离能(3.89-24.58eV)、能量上限(对应4.96nm波长)则覆盖所有元素的第二电离能(10.74-81.01eV)，这说明单个EUV光子就可以破坏材料的化学键、实现去除加工，与传统意义上通过热效应的激光加工具有本质性差异。为了进行原子层量级的高精度去除，需要对EUV辐照条件进行严格控制。
所述的极紫外光波长为4.96-41.3nm，脉冲宽度小于10ns，辐照能量密度低于0.1J/cm2。
本方法的具体步骤如下：
⑴对工件材料进行预处理，获得纳米级初始表面；预处理为各种可获得纳米级表面的方法，如机械加工(切削、磨削)、抛光(离子束抛光、激光抛光)、热处理、化学腐蚀等。纳米级初始表面是指粗糙度与晶格变形层厚度处于纳米量级或以下。
⑵根据材料化学键数据与极紫外光源参数，计算辐照能量密度初始值；
⑶通过数值模拟进一步修正能量密度，确定工艺参数；所述的数值模拟指原子尺度的模拟方法，如分子动力学-双温模型耦合计算、含时密度泛函理论；工艺参数应保证原子层去除量大于预处理中残留的晶格变形层厚度。
⑷测量EUV辐照强度，必要时进行辐照强度调控；EUV测量采用硅光电二极管或光电倍增管，辐照强度调控指改变加工范围内的整体光强或局部光强分布，如极紫外扩束、衰减，或通过干涉形成周期性光强分布，用于原子级表面周期性结构的加工。
⑸在真空环境下，采用极紫外曝光进行原子层去除。
⑹加工表面质量测量评价。测量方法包括STM、STEM、高精度AFM，获得表面与截面的原子排列图像及坐标后，计算统计原子层去除数目、表面粗糙度与晶格变形层厚度。
本发明的优点和积极效果是：
本发明提出了一种基于EUV超短脉冲的原子层去除加工新方法，能够有效避免机械加工带来的表面损伤，通过增加辐照面积可满足实际生产的高效率要求；同时，由于所有材料对极紫外光具有强吸收作用，且吸收过程集中在极表层，因此与现有激光加工技术相比，显著缩小了能量作用范围、提高了加工精度，并具有极强的材料普适性，满足原子级表面及结构的制造需求。
附图说明
图1为材料表面晶格与化学键示意图；
图2为基于EUV超短脉冲的原子级表面制造流程示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种基于极紫外光的原子级材料可控去除方法，具体步骤如下：
⑴对单晶硅材料进行化学机械抛光与退火预处理，获得纳米级初始表面，表面粗糙度Sa为0.1-0.2nm；
⑵根据材料化学键数据与极紫外光源参数，计算辐照能量密度初始值；
如图1所示，设单晶硅材料表面单原子层内的化学键数密度为nb-s，化学键的平均能量为εs；晶面间距为d，晶面间化学键数密度与平均键能分别为nb-i与εi，待去除原子层数为N，则单位面积所需的总光子能量为
E0＝(εsnb-s+εinb-i)N (1)
材料去除的理论厚度为
D＝Nd (2)
设所采用的极紫外光源单脉冲能量为εp，则单位面积所需脉冲数为
Np＝E0/εp (3)
⑶根据工件材料与拟采用的极紫外光源波长与脉宽，建立原子级表面模型，通过数值模拟技术对原子层去除过程进行仿真，在保证加工表面原子排列与基底一致性的条件下，修正(2)式所示材料去除量对应的脉冲数密度。
⑷在加工前首先对工件表面位置处的极紫外辐射功率进行测量，当能量密度高于设定值时，就需要基于几何光学、物理光学或材料吸收等途径对其进行调控与衰减。例如，当实测EUV能量密度比计算设计值大α倍时(α>1)，可通过扩束元件将光斑面积也增加α倍；对于薄膜吸收方案，根据经典吸收定律可确定薄膜厚度x的理论值为
其中ρ为薄膜材料的质量密度，μ为极紫外波段吸收系数。
⑸在真空环境(<2×10-4Pa)下，采用极紫外曝光进行原子层去除。
⑹加工表面质量测量评价。测量方法包括STM、STEM、高精度AFM，获得表面与截面的原子排列图像及坐标后，计算统计原子层去除数目、表面粗糙度与晶格变形层厚度。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于极紫外光的原子级材料可控去除方法，其特征在于：极紫外光辐照材料表面，利用极紫外波段材料的强吸收与能量沉积的高度表面局域化特征，对材料表面进行单个或两个以上原子层量级的去除加工，获得原子级低/无损伤高质量表面，所述的极紫外光波长为4.96-41.3nm，所述的极紫外光脉冲宽度小于10ns，辐照能量密度低于0.1J/cm2；
包括如下步骤：
⑴对工件材料进行预处理，获得纳米级初始表面；
⑵根据材料化学键数据与极紫外光源参数，计算辐照能量密度初始值；
⑶通过数值模拟进一步修正能量密度，确定工艺参数；
⑷测量EUV辐照强度，进行辐照强度调控；
⑸极紫外曝光进行原子层去除。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的材料为晶体或非晶材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的晶体为硅或碳化硅或金刚石或金或铝；所述的非晶材料为玻璃或PMMA或非晶合金。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤⑴所述的预处理为机械加工或抛光或热处理或化学腐蚀。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤⑴所述的纳米级初始表面是指粗糙度与晶格变形层厚度处于纳米量级或以下。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤⑶所述的数值模拟指原子尺度的模拟方法，采用分子动力学-双温模型耦合计算或含时密度泛函方法；工艺参数应保证原子层去除量大于预处理中残留的晶格变形层厚度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤⑷所述的测量EUV辐照强度是采用硅光电二极管或光电倍增管，辐照强度调控指改变加工范围内的整体光强或局部光强分布，采用极紫外扩束或衰减，或通过干涉形成周期性光强分布，用于原子级表面周期性结构的加工。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤⑸加工过程在真空环境下进行。
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