CN111627800A - 一种原子级表面及结构超短脉冲光高效加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种原子级表面及结构超短脉冲光高效加工方法，利用光子能量切断材料表面原子之间的化学键，进行深度方向原子层量级可控材料去除；通过掩模与光束能量中心对准保证待加工结构的横向尺寸精度与加工均匀性；同时，采用多路分束并行加工满足大规模量产的高效率需求。本发明提出了一种基于光学超短脉冲的原子级结构表面加工方法，根据待加工材料的物化属性有针对性地选择光源波长，提高原子层去除的极限精度，避免热过程导致的晶格损伤。

Description

一种原子级表面及结构超短脉冲光高效加工方法
技术领域
本发明属于原子及近原子尺度制造(ACSM)领域，尤其是一种原子级表面及结构超短脉冲光高效加工方法。
背景技术
表面结构是微电子、光学等领域核心器件的基本元素，这些结构的尺度与精度直接决定器件的工作性能。一个典型例子是集成电路上的晶体管数量每两年增加一倍(即摩尔定律)，Intel单枚处理器上的晶体管从20世纪70年代的2300个提升至2015年的15亿个，如今可在1cm2的面积上分布69亿个元器件。集成度的增长一方面带来使用性能的飞跃，另一方面意味着元器件结构尺寸的降低，如集成电路线宽从早期的6μm已经减小至目前的7nm以及5nm，并向3nm推进。芯片微缩的同时还要保证尺寸的相对精度或形状变化的均匀性(一般为10％)，这将使得特征结构尺寸达到原子量级。实现原子级表面及结构同样是基于量子效应工作的下一代核心器件的必然要求，微观粒子的波函数与能级分布对能量场的几何尺寸十分敏感，精度的保障是获得稳定可控性能的关键。
高精度的实现依赖于制造，表面结构目前主要以自上而下(top-down)的方式进行生产。其中一类是先通过超精密机械加工或能量束加工在模具材料上获得小面积结构表面，再以压印或其他复制方式进行大面积量产。由于结构复制涉及力学变形过程，且随着使用次数的增加模具出现磨损，目前只能实现纳米级结构的制备。另一类是半导体产业中的光刻技术，表面结构的横向精度可通过微缩投影系统以及曝光图案的高对比度予以保证，深度方向的精度则需要在刻蚀环节中进行控制。反应离子刻蚀(RIE)是目前的主流技术，而原子级精度要求对材料以原子层为单位进行可控去除，这对RIE带来了巨大挑战；另外，等离子体的轰击也会引起晶格损伤，影响材料的微观特性。综上，现阶段绝大部分制造技术只能实现纳米级尺度和精度，未来信息化核心器件如量子芯片的产品化抑或是摩尔定律能否延续直接取决于制造的发展，也预示了制造技术将进入原子及近原子尺度时代。
原子及近原子尺度制造需要在原子量级下对材料进行可控的增减或转移，一种有望用于实际生产的技术是原子层刻蚀(ALE)，通过自限性化学反应进行单原子层去除。由于存在去除速率、选择性损失、净沉积和自发刻蚀等问题，理想的原子级高精度依然难以实现，离子或中性粒子的轰击环节也可能破坏极表层原子排列。扫描隧道显微镜(STM)能够实现单个原子操控，可用于量子结构的制备与原子尺度掺杂，是目前精度最高的方法之一，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。因此，如何兼顾原子尺度的材料去除以保证原子级精度、并具有足够的加工效率是制造领域亟待解决的重要问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种原子级表面及结构超短脉冲光高效加工方法，利用光子能量切断材料表面原子之间的化学键，进行深度方向原子层量级可控材料去除；通过掩模与光束能量中心对准保证待加工结构的横向尺寸精度与加工均匀性；同时，采用多路分束并行加工满足大规模量产的高效率需求。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种原子级表面及结构超短脉冲光高效加工方法，包括如下步骤：
(1)材料表面预处理，使表面粗糙度低于1nm(Sa)；
(2)确定辐照参数：根据材料参数与原子层去除数目N确定入射光的波长上限λmax与能量密度初始值
Figure BDA0002485549290000021
选择波长小于等于并尽可能接近λmax的光源，根据光源的单脉冲能量与宽度建立数值分析模型，从
Figure BDA0002485549290000022
出发分析去除N个原子层所需要的辐照能量密度
Figure BDA0002485549290000023
根据加工位置处的光斑面积及光源输出功率计算曝光时间；
(3)掩模对准与曝光测试；
(4)单路或多路光束加工。
而且，所述的工件预处理采用超精密抛光或退火工艺。
而且，掩模接近材料表面或与之贴合。
而且，控制材料在高斯峰附近曝光或将光束的高斯分整形化为平顶分布。
而且，所述的数值仿真模型采用分子动力学-双温模型耦合计算，以及含时密度泛函方法，工艺参数应保证原子层去除量大于预处理后残留的晶格变形层厚度；所述的单脉冲宽度为飞秒量级甚至更小。
而且，加工在压强低于2×10-4Pa的真空环境下进行。
而且，通过分束装置形成多路光束，根据各路对应的表面结构加工参数设定支路光强比值与原始光束功率。
而且，对于每一支路，配置光束微调模块，实现辐照强度、能量分布与曝光时间的独立调控。
而且，根据各支路对应的待加工结构尺寸、曝光时间以及支路间关联性，设计精密定位机构运动控制的时间与位移序列。
而且，所述的材料为晶体或者非晶体，晶体为硅、碳化硅、砷化镓、氮化镓、金、铜；非晶为玻璃、高分子材料、非晶合金。
通过光学方法进行材料去除的机制在于表面原子吸收入射光子能量后脱离基底，为了实现原子层量级的可控加工、避免热效应导致的晶格破坏，入射光需要满足以下三个要求：(1)脉冲宽度尽可能小，使光脉冲作用与材料去除在晶格热力学过程发生之前结束；(2)调控单光子能量，使化学键断裂只在表面单原子层内与最近邻原子层之间发生，确保原子级材料可控去除；(3)辐照强度适当降低，一方面避免强光条件对加工精度与晶格结构的影响，另一方面保证加工范围内光子的平均分布，以提高材料去除的均匀性。能量高于材料表面化学键能的光子原则上都具有加工潜力，这扩大了光源的选择范围，在一定程度上也可以避免某些波段(如极紫外)本身带来的实现难度。
加工区域或结构的横向尺寸很难由入射光斑本身的形状予以保证，束斑面积也可能大于待加工范围，因此采用掩模控制曝光位置、结构轮廓对比度以及横向尺寸精度。由于掩模边缘造成的衍射可能带来目标区域以外的原子层去除、降低横向尺寸精度，故应使掩模尽可能接近材料表面或与之贴合。另一方面，大部分光束强度呈高斯型分布，由于光强影响去除量，需尽可能使材料在高斯峰附近曝光，避免峰两侧的快速光强变化影响原子层去除的均匀性，或将高斯光整形为平顶光。
原子层可控去除需要微弱的辐照环境，最为直接的方法是使光束通过吸收介质、或对其进行扩束，以降低单位面积的光子数量；另一种降低单位面积的光子数量的途径是将入射光束分为多路，就可以在弱化光强的同时提高初始光束的利用率，其优点在于可实现多路并行加工。并行既可以是多个相同或不同结构的独立模式加工，也可以是流水线模式协同工作。对于后者，每一支路对应一个工序，工件在精密位移机构配合下依次通过所有支路最终形成某一复合结构或器件。这种方式极大程度地提高了加工效率，适用于大规模批量生产。
1.根据待加工材料(包括晶体与非晶，晶体如硅、碳化硅、砷化镓、氮化镓、金、铜等，非晶如玻璃、高分子材料、非晶合金等)设计辐照参数。设材料表层原子平均化学键能为ε，则入射光的理论频率下限νmin与对应的波长上限λmax分别为
Figure BDA0002485549290000041
其中h为普朗克常量，c为真空光速。设表面单原子层单位面积内包含的总键能为E(包括层内与层间两种化学键的贡献)，待去除原子层数为N，则所需的光子初始能量密度为
Figure BDA0002485549290000042
基于上述初始值，通过数值仿真结合实际光源特性，确定去除N个原子层所对应的加工参数，包括波长、辐照能量密度、单脉冲能量与宽度、功率、光斑尺寸、曝光时间。
2.掩模对准与曝光测试
根据掩模是否与工件表面接触采用不同方案，如图1所示。当边缘衍射效应可以忽略时采用非接触方案，通过刻蚀或能量束在固体薄片上直接加工指定尺寸的透射窗口，调整其与入射光束的相对位置并测量透射光强或其空间分布，测量值达到最大时即完成光束能量中心对准。当边缘衍射效应不可忽略时采用接触方案，在工件表面涂布胶状光敏材料，采用光刻工艺制备曝光窗口以及附属定位结构，将入射光束与工件位置统一于全局坐标系中，通过精密位移机构完成对准。
对准结束后进行测试曝光，若加工范围内的去除量及其均匀性超过允许值，则通过光束整形提高辐照均匀度或调整曝光时间改变能量密度。较高的单光子能量会降低光子数密度，出现加工范围内光子离散性过强导致的不均匀去除。此时需增加光源波长，并返回1重新优化加工参数。
3.多光束加工
通过分束装置形成多路光束，根据各路对应的表面结构加工参数设定支路光强比值与原始光束功率。对于每一支路，配置光束微调模块，实现辐照强度、能量分布与曝光时间的独立调控。通过初始光束粗调与支路光束微调，根据2对每条支路进行光束对准与测试，完成全局坐标系下的光斑能量中心与掩模窗口的位置标定。根据各支路对应的待加工结构尺寸、曝光时间以及支路间关联性，设计精密定位机构运动控制的时间与位移序列。通过多光束并行操作，实现多个器件相同或不同结构的并行高效加工。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明提出了一种基于光学超短脉冲的原子级结构表面加工方法，根据待加工材料的物化属性有针对性地选择光源波长，提高原子层去除的极限精度，避免热过程导致的晶格损伤；
2、通过掩模与光束对准保证加工结构的横向尺寸精度与材料去除均匀性；
3、采用多路分束配合高精度位移机构，显著提升制造的灵活性与效率，满足原子级结构表面批量生产需求。
附图说明
图1为掩模与光束对准示意图；
图2为原子级结构表面并行加工示意图。
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。
下面结合图2以单晶硅(100)表面原子级矩形阵列加工为例，进行具体实施方式说明：
1.工件表面预处理；
2.根据材料参数与原子层去除数目N，通过(1)、(2)式确定波长上限λmax与能量密度初始值
Figure BDA0002485549290000053
设材料表层原子平均化学键能为ε，则入射光的理论频率下限νmin与对应的波长上限λmax分别为
Figure BDA0002485549290000051
其中h为普朗克常量，c为真空光速。设表面单原子层单位面积内包含的总键能为E(包括层内与层间两种化学键的贡献)，待去除原子层数为N，则所需的光子初始能量密度为
Figure BDA0002485549290000052
3.基于上述初始值，通过数值模拟结合实际光源特性，确定加工参数：选择波长λ小于等于并尽可能接近λmax的光源，并根据光源的单脉冲能量与宽度建立数值仿真模型，从
Figure BDA0002485549290000062
出发模拟去除N个原子层所需要的辐照能量密度
Figure BDA0002485549290000063
设加工位置处的光斑面积为S，光源输出功率为P，则曝光时间τ为
Figure BDA0002485549290000061
4.确定分束方案，制备掩模，进行各支路光束对准、调整与曝光测试；
5.确定精密定位机构运动控制的时间与位移序列；
6.进行原子级结构表面加工；
7.后处理与加工结果的测量评价。
步骤1中提及的预处理方法指超精密抛光、退火等工艺，目的在于降低前期工序对材料的影响。预处理后的表面粗糙度控制在Sa低于1nm。
步骤2中提及的材料是单晶硅(100)表面，采用禁带宽度作为键能估计值，为1.21eV，由(1)式获得对应的波长上限为1μm并作为初始值。根据晶体结构参数，在1cm2范围内去掉N个原子层的能量估计值为66NμJ，光子数密度为3.4N×1014cm-2。
步骤3中提及的数值模拟指分子动力学-双温模型耦合计算，以及含时密度泛函方法，工艺参数应保证原子层去除量大于预处理后残留的晶格变形层厚度；提及的单脉冲宽度为飞秒量级。
步骤4中提及的分束方案包括分支光路数目与排列间距、光强比、初始光束功率；所提及的掩模为非接触式掩模；光束对准中采用光束轮廓分析仪或功率计或光电管测量辐照强度，光强分布不均匀时进行扩束或转化为平顶式分布，采用快门调整曝光时间。
步骤5中提及的时间与位移序列指触发精密定位机构运动的各时刻与步进量。
步骤6中提及的加工为独立并行模式，由于待加工阵列具有相同单元，各支路间无需协同配合；加工在真空环境(<2×10-4Pa)下进行。
步骤7中提及的后处理指去除掩模(仅对于接触式掩模)，测量方法包括STM、STEM、高精度AFM，评价指标包括原子尺度材料去除量、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 (10)

1.一种原子级表面及结构超短脉冲光高效加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)材料表面预处理，使表面粗糙度低于1nm Sa。
(2)确定辐照参数：根据材料参数与原子层去除数目N确定入射光的波长上限λmax与能量密度初始值
Figure FDA0002485549280000011
选择波长小于等于并尽可能接近λmax的光源，根据光源的单脉冲能量与宽度建立数值分析模型，从
Figure FDA0002485549280000012
出发分析去除N个原子层所需要的辐照能量密度
Figure FDA0002485549280000013
根据加工位置处的光斑面积及光源输出功率计算曝光时间；
(3)掩模对准与曝光测试；
(4)单路或多路光束加工。
2.根据权利要求1所述的原子级表面及结构超短脉冲光高效加工方法，其特征在于：所述的工件预处理采用超精密抛光或退火工艺。
3.根据权利要求1所述的原子级表面及结构超短脉冲光高效加工方法，其特征在于：掩模接近材料表面或与之贴合。
4.根据权利要求1所述的原子级表面及结构超短脉冲光高效加工方法，其特征在于：控制材料在高斯峰附近曝光或将光束的高斯分布整形为平顶分布。
5.根据权利要求1所述的原子级表面及结构超短脉冲光高效加工方法，其特征在于：所述的数值仿真模型采用分子动力学-双温模型耦合计算，以及含时密度泛函方法，工艺参数保证原子层去除量大于预处理后残留的晶格变形层厚度；所述的单脉冲宽度为飞秒量级或更小。
6.根据权利要求1所述的原子级表面及结构超短脉冲光高效加工方法，其特征在于：加工在压强低于2×10-4Pa的真空环境下进行。
7.根据权利要求1所述的原子级表面及结构超短脉冲光高效加工方法，其特征在于：通过分束装置形成多路光束，根据各路对应的表面结构加工参数设定支路光强比值与原始光束功率。
8.根据权利要求1或7所述的原子级表面及结构超短脉冲光高效加工方法，其特征在于：对于每一支路，配置光束微调模块，实现辐照强度、能量分布与曝光时间的独立调控。
9.根据权利要求1或7所述的原子级表面及结构超短脉冲光高效加工方法，其特征在于：根据各支路对应的待加工结构尺寸、曝光时间以及支路间关联性，设计精密定位机构运动控制的时间与位移序列。
10.根据权利要求1所述的原子级表面及结构超短脉冲光高效加工方法，其特征在于：所述的材料为晶体或者非晶体，晶体为硅、碳化硅、砷化镓、氮化镓、金、铜；非晶为玻璃、高分子材料、非晶合金。
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