CN1894157B - 有序波形纳米结构形成方法 - Google Patents

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Abstract

用于形成有序波形纳米结构的方法，该方法在于：用均匀分子氮离子N2 +流溅射半导体材料，直到在材料表面形成所述纳米结构的波峰方向垂直于离子入射平面的周期性波形纳米结构；为了增长纳米结构波幅，用O2 +离子流在与N2 +轰击平面相重合的轰击平面进行补充溅射；选择O2 +离子轰击能量及角度以便使在用N2 +和O2 +单独照射时形成的波形纳米结构的波长相重合。对砷化物、镓和硅结构还提出了3个形成有序波形纳米结构的变体。

Description

有序波形纳米结构形成方法
                           技术领域
本发明涉及在基片表面利用离子流形成周期约100nm或更小的波形起伏结构的方法和装置以及用于基片抛光的装置。
                           背景技术
在硅表面形成波形纳米起伏结构的方法是已知的(俄罗斯专利申请RU99124768)。
用分子氮的均匀离子流N2 +溅射硅，直到形成纳米结构波峰方向垂直于离子入射平面的周期性波形纳米结构。
其中首先选择一些决定形成中的波形纳米结构几何以及对应于纳米结构波幅的生长开始和结束的溅射深度Dm和DF的参数：离子能量；离子在硅初始表面的入射角度；硅的温度及氮离子深入硅的深度，所有这些都是基于所述纳米结构的波长。
因此，类似的方法采用N2 +-Si体系来形成波形纳米结构。
已知，在用O2 +离子溅射砷化镓(O2 +-GaAs体系)时，形成波形纳米结构(KarenA，Nakagawa Y，Hatada M，Okino K，Soeda F，Ishitani A，GaAs和其它III-V半导体被O 2 诱发的分布状况定量研究：波纹形成和因试样转动二次离子产额抑制的STM(扫描隧道显微显)研究-表面和界面分析(surf and Interf Anal1995年，V.23，p.506～513)。该纳米结构有用的性质是有足够高的纵横尺寸比值(即起伏幅度与波长或周期的比)。但是，在O2 +-GaAs体系中形成的波形纳米结构的有序度和平面性低下。
本发明系列中的第一个发明技术成果在于显著提高了形成的波形起伏有序度。
它是通过如下途径达到：采用砷化镓替代N2 +离子流溅射的硅(如在类似专利RU 99124768中所描述的)，或换言之，使用N2 +-GaAs体系替代N2 +-Si体系。因此，用N2 +离子流照射砷化镓导致形成具有高自然有序度性质的波形纳米结构。
优选地，使用非晶形砷化镓层作为砷化镓。
优选地，用磁控溅射砷化镓的方法形成非晶形砷化镓层。
优选地，在与GaAs初始表面垂线成55-60角度范围内选择N2 +离子入射角。
优选地，在6-8KeV范围内选择N2 +离子能量。
优选地，N2 +离子溅射GaAs最高达DF＝1μm深度。
优选地，在与N2 +离子轰击平面相重合的轰击平面内，用O2 +离子束补充溅射在N2 +-GaAs体系中已形成的波形纳米结构，以增长波形纳米结构的波幅。
优选地，补充溅射时，O2 +离子的轰击能量和角度的选择应使N2 +-GaAs和O2 +-GaAs体系中的波长相重合。
优选地，在用O2 +离子补充溅射时，应用二次发射信号控制波形纳米结构的波幅增长。
优选地，使用二次电子、离子或光子发射信号作为二次发射信号。
优选地，仅在二次发射信号饱和的时刻进行用O2 +离子的补充照射。
已知，在用分子氧的离子流溅射硅(O2 +-Si体系)时，也形成波形起伏结构(Vajo J.J.，Doty R.E.，Cirlin E.H.O2 + 能量、通量、注量对硅上溅射诱发的波纹分布状况生成和成长的影响-真空科学技术杂志(j.Vac.Sci.Technol)A，1996，V.14，No 5，p.2709-2720)。本发明的作者利用扫描电子显微镜(SEM)确定，在相应波形起伏的波幅极大增长开始的硅的一定溅射深度Dm，在O2 +-Si体系中形成小波幅起伏，与N2 +-Si体系相比，其特点是具有提高的有序度或有较长的波长。但是，在O2 +-Si体系中进一步用氧离子溅射时，随着波幅的增长，起伏的有序度及其平面性显著变坏。相反，在N2 +-Si体系中形成的波形起伏结构的特点是有高的平面度，它会一直保持到等于3DF的溅射深度。
第二个发明的技术成果还是在于形成的波形起伏结构的有序度提高。
它通过如下的途径达到：分两个阶段进行硅的溅射。首先，在O2 +-Si体系中用O2 +离子流形成在溅射深度Dm有高有序度的小波幅波形纳米结构，然后，在N2 +-Si体系中，用N2 +离子进一步溅射硅，一直到溅射深度DF处的波形纳米结构的波幅饱和。同时，O2 +和N2 +离子轰击平面相重合，并对离子轰击的能量和角度进行选择以便O2 +-Si和N2 +-Si体系中波形起伏结构的波长相等。
优选地，使用非晶形硅层作为硅。
优选地，用二次发射信号控制波形纳米结构的形成。
基于N2 +-Si体系的研究，本发明的作者确定，在其上形成的波形起伏结构的波峰方向，预先定向抛光硅表面将大大提高起伏的定向程度，即它的有序度。
第二发明的技术成果还在于提高形成的波形起伏结构的有序度。
它通过如下的途径达到：预先把硅表面定向抛光，在其上形成N2 +-Si体系的波形起伏结构，并使波峰的取向与抛光方向一致。
优选地，采用由诸如铝、硅和铬的氧化物微粒组成的磨料。
已知有这样的装置，它包含具有带孔基体的等离子电极，用来从总等离子体形成离子束基体(K.L.Scott，T.-j.King，M.A.Lieberman，K.-N.Leung“离子束平版印刷技术用的图形发生器和微柱”-J.of Vacuum Sci.and Tech.B，V18(6)，2000，p.3172-3176；K.-N.Leung，H.Y.Lee，V.Ngo，N.Zahir“等离子体形成的离子束投影平版印刷技术系统”专利US 6486480)。
该类似装置不足之处是形成的图形最小尺度不合适。
已知有在基片表面形成图形的装置(RU 2180885)，该装置包含倾斜带状离子束基体成形器和用于移动基片通过带状离子束用的精密台，成形器是以带有线性孔基体的等离子电极为基础，孔的位置与硅表面上纳米线组所要求的位置一致。
这原型机的不足之处是制造带状离子束偏移和聚焦的微系统的复杂性。
第四发明的技术成果是通过取消带状离子束偏移和聚焦微系统以及在硅表面垂直入射带状离子束形成纳米线组，来简化已知装置的制造。
这通过如下途径达到：带状离子束基体成形器确保离子束垂直入射到硅表面，这使得这装置接近于类似装置，但是，装置的目的是在硅上形成周期比离子束宽度小得多的有序波形纳米结构，使它区别于用于离子投影光刻的类似装置，即在宽度可与离子束直径相比的抗蚀剂中形成线条。
原则上，带状离子束基体与圆形离子束基体不同，并且使基体穿过带状离子束移动用的精密台的移动也有差别。
优选地，使带状离子束的宽度在离子能量5KeV时为0.5μm。
优选地，使基片的精密台为基片的移动提供如下关系式所确定的速度：
V = I L · Y · A ρ · D F · N A · e ,
式中：IL-为带状离子束的线性电流密度，A/cm；
Y-为相对1个氮原子算出的溅射率；
A-为硅的克分子质量，g；
ρ-为硅的密度g/cm3；
DF-为有序波形结构形成深度，cm；
NA-为阿伏伽德罗数，6.022×1023mole-1
e-为电子电荷，1.6×10-19K1。
优选地，使基片用的精密台以安装在精密台上试验槽产生的二次电子发射信号所控制的速度移动。
已知在半导体生产中有抛光基片用的装置(US 2002/0142704)。
已知的这个装置由保证基片在其平面内绕自己的轴转动的夹具，支撑体在基片平面与移动带接触处支座上的连续移动带，保证基片夹具转动的马达，往移动带输送抛光混合物及经支座上的小孔系统提供空气以保证移动带悬浮起来和使基片压力均匀分布在移动带的空气装置组成。
第五发明的技术成果在于改变了已知装置的结构，从而保证了定向抛光半导体基片。
它通过以下途径达到：基片夹具确保基体相对于移动带移动方向的固定位置。
附图说明
通过附图对本发明进行说明：
图1A示意显示出了用N2 +离子溅射时在砷化镓表面上形成小波幅有序波形纳米结构的过程及单个波的几何形状。
图1B显示了用O2 +离子补充溅射，在砷化镓表面上得到的波幅增长的有序波形纳米结构及单个波的几何形状。
图1C显示了N2 +-GaAs体系中随后用O2 +离子补充溅射所形成的有序纳米结构的SEM图象。
图1D显示了N2 +-GaAs体系中随后用O2 +离子补充溅射所形成的有序纳米结构的SEM图象。
图2A显示了在N2 +-Si体系中形成的波形纳米结构的SEM图象。
图2B显示在深度Dm的O2 +-Si体系中随后用N2 +离子补充溅射所形成的波形纳米结构SEM图象。
图3A显示了N2 +-Si体系中形成的波形纳米结构的SEM图象。
图3B显示了N2 +-Si体系中预先用GOI研磨膏定向抛光表面所形成的波形纳米结构的SEM图象。
图4A显示了带状束基体的成形器，它产生束1，并包含有等离子电极(2)中的线性小孔的基体(3)、开启和关闭带状束用的电极(4)及绝缘体(5)。纳米结构(6)在硅基片(10)上用离子束(1)形成。
图4B显示了等离子电极(3)的顶视图(A图)，带有纳米线组(14)的晶体(12)。
图4C显示了在基片表面形成有序波形纳米结构的装置，它包含有：带状束基体成形器(11)，永磁铁(15)，带有氮气送入和排出系统(图上未示出)的等离子室(16)，试验槽(17)，二次电子探测器(18)，基片(10)用的精确台(19)，带有基片抽出和送入腔室的系统(图上未示出)的真空室(20)，硅基片(10)，带有接口的计算机(图上未示出)。
图5上示出了定向抛光基片的装置。
具体实施方式
以如下的实例说明本发明的实质
实例1：在设计用于逐层分析材料的装置中，用离子溅射对GaAs样品进行离子溅射。
把离子束以扫描的方式对准样品表面以提供均匀的离子束。图1A示意显示了N2 +-GaAs体系中波形纳米结构形成过程。图1A的图平面与离子轰击平面即离子入射平面相重合。在与GaAs表面垂线呈θ＝55-58°离子轰击角的狭的角范围内及溅射深度DF约1μm、N2 +离子能量E＝8KeV时，形成波长λ＝130nm的稳定、高有序度的波形纳米结构，所述纳米结构几乎完全没有波断裂并且只具有极少量的波交叉。波峰方向与离子轰击平面垂直。随照射剂量增加，该纳米结构—直到溅射深度为35μm不发生任何明显变化。在SEM下观察在E＝8KeV和θ＝56 °时得到的具有波形纳米结构的GaAs晶体碎片，能确定单个波的几何形状。在λ＝130nm时，波幅为13nm。波斜度相对水平线倾斜8-9°。因此，波斜度的局部轰击角度为47和65°，长时间溅射不改变这些角度。
在N2 +-GaAs体系中，角θ＞60°(E＝8KeV)以及离子能量E＜6KeV(θ＝56°)时，在SEM下观察形成的波形纳米结构。在E＝6KeV和θ＝56°时，形成λ＝123nm的波形纳米结构。在θ＞60°离子溅射的蚀穴底部及其斜面上没有波形纳米结构时，观察到孤立锥形的生成。在E＝8KeV、θ＝45-55°角范围内，生成小波幅周期性的、低有序度的纳米结构，它在离子照射剂量增加的情况下，发生渐进扰动。类似的渐进扰动对O2 +-GaAs和O2 +-Si体系也是很典型的。
在N2 +-GaAs体系中，未发现波形纳米结构形成过程对俄歇电子发射有任何影响，所以，不可能在现场记录下这个过程。
用SEM观察在E＝8KeV和θ＝55°及不同照射剂量下GaAs表面经N2 +离子形成的离子束腐蚀穴表面，确定波形纳米结构的生成深度为1μm。
为了提高在N2 +-GaAs体系中形成的波形纳米结构的波幅和增大波斜度的倾斜角度，分两个阶段进行波形纳米结构形成试验。在第一阶段，在N2 +-GaAs体系中在溅射深度1.5μm、E＝8KeV和θ＝56.7°条件下，形成λ＝128nm的波形纳米结构，以上条件保证了纳米结构有最大的有序度。然后，用O2 +离子在E＝5.5KeV和θ＝39°，不同的离子照射剂量条件下，溅射上面第一阶段得到的波形纳米结构。补充溅射波形纳米结构的过程示于图1B。O2 +和N2 +离子的轰击平面相重合。O2 +离子照剂量是根据GaO+离子二次发射信号达到饱和点的时间选择的。这个发射信号的增长和饱和反映出纳米结构波斜度的倾斜角的增大和饱和，对O2 +-GaAs体系中的As+或AsO+二次离子也观察到类似的情形。
在试验中，GaO+发射信号增长在4分钟内达到饱和。图1C和1D上示出了因在随后用O2 +离子在1.5和2.5分钟内分别溅射的两过程形成的λ＝123nm波形纳米结构的SEM图象。随O2 +离子照射剂量的增加，二次电子发射中SEM图象对比放大证实，波斜度的倾斜角增大。比较图1C和图1D可见，增加O2 +离子照射剂量实际上不影响在N2 +-GaAs体系中得到的初始波形纳米结构的有序度。
为了使用该波形纳米结构，可能必须在用已知的GaAs靶磁控溅射的方法在不同材料表面所沉积的非晶形GaAs层中来形成该纳米结构。
实例2：利用SEM观察在O2 +-Si体系中波纹分布状况的进展，能得到在溅射深度Dm时这个体系中有更高有序度的波的结论。与N2 +-Si体系相比，在O2 +-Si体系中Dm深度时形成很少量波断裂的波形纳米结构。在这些基础上进行了分两个阶段形成波形纳米结构的实验。在第一阶段，在O2 +-Si体系中，溅射深度Dm＝1350nm、E＝4KeV和θ＝47°时形成λ＝130nm的波形纳米结构。第二阶段的条件根据O2 +-Si和N2 +-Si体系中波长达到相等来选择。在第二阶段，在E＝8KeV和θ＝43°时波形纳米结构用N2 +离子溅射—直到最终D＝1670nm。N2 +-Si体系的补充溅射深度为320nm，它对应于波形纳米结构形成第二阶段的条件。如实例1中那样，O2 +和N2 +离子轰击平面相重合。两个阶段得到如图2B所示的λ＝140nm的波形纳米结构。为了进行比较，图2A示出了N2 +-Si体系中在E＝8KeV和θ＝43°条件下一阶段过程中形成的波形纳米结构的图象。通过计算长边垂直波峰且每一边包含50波的1.3×6.5μm2大小方格内的波数，进行6.77×9μm2大小的SEM图象的统计分析。统计从方格的一个长边缘到达另一边缘没有断裂和交叉的波(好波数量)，交叉一边缘并达不到另一边缘的波(波断裂数量)以及在方格内波交叉的数量。从而确定，形成N2 +-[O2 +-Si]波形纳米结构的两过程把波断裂数量减少到1/5.4，交叉数减少到1/2.9，把好波数增加到2.4倍。因此，在两阶段过程中，可以形成高有序度并把O2 +-Si体系在溅射深度Dm的波幅增长与N2 +-Si体系的平面性结合在一起的波形纳米结构。
实例3：在本身不具有自然有序度的N2 +-Si体系中，可通过采用预先机械处理硅表面的方法来提高波形纳米结构的有序度。
用含有氧化铬(Cr2O3)颗粒的GOI化合物定向抛光硅表面，然后在与研磨颗粒相对硅表面移动方向的方向使用N2 +离子束在N2 +-Si体系中形成波形纳米结构的试验确定，预先定向抛光过程将会极大提高沿抛光方向的纳光结构定向程度。纳米结构形成参数：E＝8KeV，θ＝43°，DF＝360nm，λ＝150nm，接近无抛光的情况。对非晶形硅层，通过预先用GOI化合物定向抛光，在提高纳米结构方向性方面，得到了类似的结果。
可以使用含氧化铝或氧化硅颗粒的水基或弱碱浆料代替GOI化合物。这类浆料在工业中用于抛光半导体生产中的基片。
实例4：形成有序波形纳米结构的装置的工作原理示于图4A-4B。该装置按如下方式工作：把基片(10)固定在精密台(19)，抽真空室空气到工作压力，为获得氮离子流，经送入系统把氮气送入等离子室，在等离子室中引发电荷，相对于地的等离子工作电位U＝+5KeV，所以，室(16)应与室(20)适当的电绝缘，等离子电极(3)处于U+U1电位，电极(4)在离子束接通时处于U-U1电位，在离子束断开时处于U+U1电位，电极(4)与电极(3)用绝缘体(5)绝缘，U1电位约为+100V。用计算机和接口及来自试验槽(17)的二次电子探测器信号，控制精密台(19)的移动。台的移动速度与来自试验槽(17)的由探测器(18)记录下的二次电子发射电流成比例减少。当等离子体中离子电流密度为250mA/cm2、基片移动速度为2.5mkm/s、带状速之间的距离为1mm时，在基片被纳米线100％盖住的条件下，达到1小时6个基片的生产能力。
等离子电极(3)中的线性小孔(2)排成一列，周期为d，它比基片(10)中晶体(12)的尺度S小整数倍。这样可以在比晶体尺度小S/d倍的距离上移动时用纳米线组(14)盖住晶体。
等离子电极是由厚度约20μm的n-型导电性的高合金硅片制造的。包含有电极(3)和(4)的线性束基体成型器(11)的一部分是按照把绝缘体(5)做成支撑体电极的平面硅工艺、采用氮化硅制造的。面向基片(10)的成形器(11)的外部分被无晶形硅层或低导电性的碳覆盖。
在所有要求的方法实例中，离子流倾斜地入射到基片，但这些是均匀离子流。在图4A所示的移动带状离子束的情况下，溅射平面(7)的区段相对离子流方向倾斜。离子束(1)沿硅表面(10)移动时溅射硅，留下有序的纳米结构(6)。带有纳米结构的表面的位置低于初始表面(10)的位置。表面(7)的倾斜溅射区段宽度等于离子束(1)的宽度。因此，虽然离子流垂直入射到初始表面(10)，但使纳米结构(6)形成过程是在表面溅射区段被倾斜轰击实现的。
因此，本发明扩大了已知相似装置的功能特性。
优选实施方案
实例5：线性化学机械抛光装置广泛用于抛光半导体生产中的基片，它包含一个连续移动带(US 2002/0142704)。已完成的实验导致以下结论，基片定向抛光可采用稍稍改变类似装置的设计来实现，例如，通过消除基片夹具绕自己轴转动及保证相对带移动方向固定夹具方位的方法。在图5示出了基片定向抛光的装置，它是由夹具(1)组成，以非工作位置显示，且显示了一个基片的安装。在工作位置(2)，夹具把基片(3)压紧到用滑轮(5)传动的连续带(4)，基片夹具保证相对带移动方向固定基片(3)，支撑体(6)支持带(4)和基片夹具于工作位置(2)。在支撑体中具有可供压缩空气通过的小孔系统，从而向基片提供均匀的压力分布将其压紧到带上。此外，往带送上抛光浆料。图5未示出输送的装置。滑轮(5)和带(4)的下部分可以浸没在抛光浆料的池中。选择合适的抛光浆料用的研磨剂，例如一般用于生产中的氧化铝和氧化硅，可能是对如实例3中那样随后用离子溅射基片使波形纳米结构达到最大有序度有用的。
工业应用性
本发明可用于形成图形的方法中，包括在硅和砷化镓表面形成线宽10至60nm的图形，用于形成纳米电子和光电子器件的纳米导线的方法中。

Claims (14)

1.形成有序波形纳米结构的方法，其包含用均匀分子氮离子N2 +流溅射半导体材料，直到在材料表面形成波峰方向垂直于离子入射平面的周期性波形纳米结构，该方法的特征在于：使用砷化镓作为半导体材料，在用氮离子N2 +溅射后用氧离子O2 +流对已形成的波形纳米结构进行补充溅射，同时，氧离子入射平面与氮离子入射平面相重合，并选择离子入射的能量和角度以便使在用氮和氧离子单独照射时波形纳米结构的波长重合。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于使用非晶形砷化镓层作为砷化镓。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于采用磁控溅射方法形成非晶形砷化镓层。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于N2 +离子入射角选择在与砷化镓初始表面垂线呈55-60度的范围内，N2 +离子能量在6-8KeV范围内，从而使N2 +离子溅射砷化镓达到深度DF＝1μm。
5.根据权利要求1-4的方法，其特征在于通过二次发射信号，控制波形纳米结构波幅的增长。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，采用二次电子、离子或光子发射信号作为二次发射信号。
7.根据权利要求5的方法，其特征在于O2 +离子照射一直到二次发射信号饱和时刻。
8.形成有序波形纳米结构的方法，其包含用O2 +离子流溅射硅表面直到在相应纳米结构波幅开始增长的溅射深度形成小波幅的波形纳米结构，然后用N2 +离子流在与O2 +离子轰击平面相重合的轰击平面内照射硅表面，直到波形纳米结构波幅饱和，选择离子入射的能量和角度以便使在用氮和氧离子单独照射时波形纳米结构的波长重合。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于使用非晶形硅层作为硅。
10.根据权利要求8的方法，其特征在于根据二次发射信号控制达到相应波形纳米结构波幅开始增长及饱和的溅射深度。
11.形成有序波形纳米结构的方法，其包含用均匀氮离子N2 +流溅射半导体材料，直到在材料表面形成纳米结构的波峰方向垂直于离子入射平面的周期性波形纳米结构，该方法的特征在于：使用砷化镓作为半导体材料，在用分子氮离子溅射前，用由颗粒组成的研磨剂预先定向抛光砷化镓表面，在砷化镓表面形成波峰方向与抛光方向一致的波形纳米结构，用分子氮离子N2 +溅射后，用氧离子02 +流对已形成的波形纳米结构进行补充溅射，同时，氧离子入射平面与氮离子入射平面相重合，并选择离子轰击的能量和角度使得正在形成的波形纳米结构的波长在用N2 +离子和O2 +离子一次照射时重合，而且，所述研磨剂的颗粒的尺寸应小于波形纳米结构的波长。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于所述研磨剂的颗粒由铝、硅或铬的氧化物组成。
13.形成有序波形纳米结构的方法，其包含用由颗粒组成的研磨剂定向抛光硅表面之后，用O2 +离子溅射硅表面，在硅表面形成波峰方向与抛光方向相同的波形纳米结构，这个过程一直到形成溅射深度相应纳米结构波幅开始增加的小波幅的波形纳米结构，在与O2离子轰击平面相重合的轰击平面内用N2 +离子流照射硅表面，直到波形纳米结构波幅饱和，选择离子入射能量及角度以便使波形纳米结构的波长，在用氮和氧离子一次照射时相重合，而且，所述研磨剂的颗粒的尺寸应小于波形纳米结构的波长。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于所述研磨剂的颗粒由铝、硅或铬氧化物组成。
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