基于分子动力学模拟和显微表征的聚焦离子束纳米加工基础研究

摘要

聚焦离子束(Focused Ion Beam，FIB)是一种集原位材料表征、材料去除和材料沉积于一体的纳米级离子束操作手段，在纳米尺度制造中占有着重要的地位。然而，聚焦离子束铣削形成的表面非晶改性层和镓Ga金属污染层会显著影响器件的光学、电学和机械性能。为优化聚焦离子束加工工艺、提高聚焦离子束加工精度、改善器件性能，本文针对聚焦离子束纳米加工中存在的离子注入损伤和离子注入改性等关键科学问题进行了研究，探索了聚焦离子束的加工损伤及其修复方法等微观作用机理。针对现有技术手段不足的缺点，提出了采用分子动力学(MD)仿真及纳米尺度显微表征技术相结合的手段，构建了采用Tersoff-ZBL结合势描述原子间相互作用的Ga-FIB纳米加工及后退火分子动力学模型，系统的研究了典型脆性半导体材料——单晶硅的聚焦离子束纳米加工形成机理及其修复方法，从纳米尺寸和纳秒时间尺度阐释了FIB纳米加工过程中的离子注入损伤形成机理。主要研究成果包括:
　　1.采用径向分布函数、键长键角分布、共近邻分析、均方根粗糙度等方法研究了离子束能量(0.5keV、1keV、2keV)、离子注入剂量、束流密度等FIB加工参数对样品内部损伤的影响规律。MD研究表明，基底损伤深度和横向损伤范围均随着离子注入能量和剂量的增加而增加。离子轰击初期，硅内部只产生点缺陷及分散的小缺陷团，硅内部缺陷浓度随着离子注入剂量线性增长;在分散的缺陷团向连续非晶层演变的过程中，缺陷生长速度不断降低;形成连续非晶层后，缺陷浓度增长非常缓慢。原子力显微镜测量得到的FIB加工区域的表面隆起现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3.5×1023cm-2s-1时，局部温度累积效应使得硅片表面温度高于熔点，材料溅射产额剧增。采用蒙特卡洛方法研究了离子注入角度和束流能量对溅射产额、入射离子分布、靶材损伤的影响。相关研究成果弥补了单晶硅材料Ga-FIB纳米加工机理方面的不足。
　　2.使用各种显微结构表征手段（X射线光电子能谱深度分析、拉曼光谱、透射电镜、能谱仪、原子力显微镜等）对材料形成过程中表面/近表面的微观结构和成分进行检测和观察，揭示了聚焦离子束加工参数对聚焦离子束辐照损伤层性质的影响规律。通过在真空环境下对去除表面氧化层的硅片进行原位聚焦离子束掩模加工及刻蚀实验，阐明了一种基于表面致密镓团簇层的聚焦离子束掩模抗刻蚀机制，解决了真空无氧环境下聚焦离子束-氟化氙气体辅助刻蚀掩膜技术中的关键问题。
　　3.构建了FIB损伤层退火的分子动力学模型，揭示了FIB纳米沟槽的退火修复机理。MD研究表明，退火过程中再结晶发生在c-Si/a-Si界面上，单晶硅再生长过程从损伤层底部朝着硅片表面进行的同时;从FIB加工区域四周向着中心进行。CNA损伤分析表明，温度为0.863Tmc时再结晶速度最快，仅用时2.0ns。退火温度接近单晶硅熔点(=0.94Tmc)时，除了在位于非晶硅层底部的c-Si/a-Si界面附近发生再结晶，表层还发生单晶硅融化现象。提出了基于再结晶过程中非晶/单晶界面运动的镓团聚及析出机制，确立了聚焦离子束注入及退火过程中镓团聚及析出的关键机理。
　　4.开展了FIB镓离子注入单晶硅的真空管式炉退火实验研究，通过调整退火温度和时间，基于拉曼光谱和XPS的定量分析，分析和评价了Ga-FIB加工参数及退火工艺对聚焦离子束加工损伤的改善及修复程度。揭示了镓离子团聚、迁移和析出等纳观行为对Ga-FIB损伤区域修复过程和FIB加工区域表面形貌的影响规律。实验表明，退火温度为800℃、保温时间为30min时，可以实现镓离子的完全析出和非晶硅完全恢复成单晶结构。离子剂量达到1×1018ions·cm-2时，大量Ga离子的析出使得非晶硅能够实现300℃低温退火再结晶;此外，大Ga离子注入剂量还能导致退火后在样品表面形成非晶硅颗粒。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 背景及意义

1．2 聚焦离子束系统及加工机理

1．2．1 聚焦离子束系统

1．2．2 聚焦离子束加工机理

1．3 聚焦离子束微纳米加工技术及其机理研究进展

1．3．1 聚焦离子束加工技术现状

1．3．2 FIB纳米加工机理的研究现状

1．4 立项背景及研究内容

第二章 分子动力学模拟方法及其分析技术

2．1 分子动力学模拟方法

2．1．1 分子动力学模拟流程

2．1．2 体系总势能及势函数的选取

2．1．3 势能求解

2．1．4 统计系综

2．1．5 温度控制方法

2．1．6 时间步长

2．1．7 模拟软件

2．2 物理化学性质求解

2．2．1 材料结构分析方法

2．2．2 径向分布函数

2．2．3 热力学及动力学分析

2．2．4 其他物理性质

2．3 本章小结

第三章 Ga-FIB纳米加工的模拟研究

3．1 FIB加工的蒙特卡洛模拟

3．1．1 SRIM简介

3．1．2 FIB加工的蒙特卡洛模拟

3．1．3 SRIM分析的不足

3．2 FIB加工的MD建模

3．2．1 FIB纳米沟槽加工模型

3．2．2 MD模拟中FIB加工参数的设置

3．3 单个离子注入过程分析

3．3．1 仿真参数

3．3．2 结果与讨论

3．4 束流能量的影响

3．4．1 仿真参数

3．4．2 离子注入损伤分析

3．4．3 溅射产额

3．4．4 离子注入表面拓扑结构变化

3．5 束流密度的影响

3．5．1 MD模型设计

3．5．2 结果与讨论

3．6 本章小结

第四章 Ga-FIB纳米加工的实验研究

4．1 实验设备及测试方法

4．1．1 聚焦离子束／扫描电子显微镜双束系统

4．1．2 透射电子显微镜

4．1．3 X射线光电子能谱

4．1．4 拉曼光谱

4．2 聚焦离子束掩模机理研究

4．2．1 聚焦离子束掩模简介

4．2．2 掩模抗刻蚀机理的实验设计

4．2．3 基于XPS的FIB加工表面分析

4．2．4 基于透射电镜的表层截面分析

4．3 FIB加工损伤的拉曼光谱分析

4．3．1 硅片的拉曼光谱表征

4．3．2 实验设计

4．3．3 FIB加工剂量对非晶硅厚度的影响

4．4 FIB加工表面的SEM分析

4．4．1 实验参数

4．4．2 结果与讨论

4．5 本章小结

第五章 基于退火的FIB损伤恢复机理研究

5．1 引言

5．2 FIB加工后退火的MD模拟研究

5．2．1 FIB加工后退火的MD建模

5．2．2 高温热震动

5．2．3 退火温度对损伤恢复的影响

5．2．4 Ga离子迁移

5．2．5 表面拓扑结构变化

5．2．6 镓对非晶硅再结晶过程的影响

5．3 FIB加工后退火的实验研究

5．3．1 退火实验设计

5．3．2 微成分变化

5．3．3 基于拉曼光谱的表面分析

5．3．4 表面微结构变化

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢