聚焦离子束刻蚀硅表面的微观效应模拟分析

摘要

聚焦离子束(FIB)是一种结合微细加工和微区分析功能的新技术，能对不同材料微区进行无掩膜、高精度加工和改性。论文以FIB刻蚀硅表面的微观效应为对象，分别研究了离子注入和离子溅射的过程及其晶面效应。以实验方法探究了FIB溅射刻蚀不同硅基底的晶面效应现象，提出了晶面效应的成因假设。运用分子动力学(MD)方法建立了离子注入和离子溅射的模拟模型。通过对粒子分布的分析和模拟形貌的研究，深入理解了离子与基底硅原子的微观作用机制，验证了晶面效应，并且验证了模拟模型的有效性。在此基础上，分析并验证了提出的晶面效应的成因假设。论文的主要内容如下:
　　1、实验获得了FIB溅射刻蚀不同硅基底的晶面效应现象，分析认为溅射刻蚀的晶面效应与溅射产额和硅基底的晶面结构直接相关。提出晶面效应的成因假设:基底原子排列的差异影响入射离子与基底原子碰撞过程的能量传递，且溅射刻蚀的形貌差异与溅射产额差异呈正相关。
　　2、基于FIB与固体材料表面相互作用的理论，运用分子动力学方法分别建立了离子注入和离子溅射的模拟模型，并阐述了用于分析MD模拟结果的性质量的定义及其计算方法。
　　3、以模拟单个镓离子与基底硅原子的碰撞过程为切入点，深入理解了离子与基底硅原子的微观作用机制。通过共近邻分析(CNA)法分析基底CNA缺陷的分布，研究了离子注入硅基底的非晶体化过程和晶面效应。将模拟结果与实验结果进行了对比分析，表明建立的模拟模型是准确有效的。
　　4、详细分析了FIB溅射刻蚀不同硅基底的过程，从溅射形貌、溅射产额和镓离子与CNA缺陷分布的差异性研究了离子溅射的晶面效应，分析了晶面效应的成因，验证了提出的假设。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 聚焦离子束技术概述

1．1．1 聚焦离子束系统的结构

1．1．2 FIB与固体材料表面相互作用的基本现象

1．1．3 FIB技术的主要功能和应用

1．2 课题研究意义

1．3 课题研究现状和关键技术

1．4 论文研究内容及章节安排

第二章 FIB与固体材料表面相互作用的理论与模拟方法

2．1 离子在固体中的能量损失和射程分布

2．1．1 离子在固体中的能量损失

2．1．2 离子在固体中的射程分布

2．2 原子间相互作用势

2．3 FIB去除基底材料机制

2．4 模拟的方法

2．4．1 蒙特卡洛方法

2．4．2 分子动力学方法

2．5 本章小结

第三章 FIB刻蚀硅基底的晶面效应实验及分析

3．1 实验设备

3．2 实验流程

3．2．1 硅片准备

3．2．2 FIB加工原理图

3．2．3 实验方案设计

3．3 实验结果与分析

3．3．1 28pA离子束流刻蚀的线结构形貌

3．3．2 28pA束流刻蚀线结构的溅射产额

3．3．3 48pA离子束流刻蚀的线结构结果

3．3．4 晶面效应成因假设

3．4 本章小结

第四章 FIB刻蚀硅的MD模拟模型

4．1 蒙特卡洛模拟

4．1．1 离子轨迹及分布

4．1．2 离子射程分布和非晶层的厚度间的联系

4．1．3 离子能量损失

4．1．4 溅射产额

4．2 分子动力学模拟模型的建立

4．2．1 经典近似有效性检验

4．2．2 基底设置

4．2．3 边界条件

4．2．4 积分算法

4．2．6 离子束束流

4．3 性质量及计算方法

4．3．1 能量

4．3．2 温度

4．3．3 径向分布函数

4．3．4 局部序参量

4．3．5 共近邻分析

4．3．6 溅射产额

4．4 本章小结

第五章 离子注入硅的MD模拟

5．1 镓离子与基底硅原子的碰撞过程

5．1．1 硅基底温度变化

5．1．2 能量变化

5．1．3 镓离子入射深度和轨迹分析

5．2 镓离子注入硅(100)基底模拟结果

5．2．1 基底的温度及总能量变化

5．2．2 非晶体化过程

5．2．3 非晶层厚度

5．3 离子注入硅的晶面效应

5．3．1 溅射产额对比

5．3．2 镓离子及CNA缺陷分布对比

5．4 本章小结

第六章 离子溅射刻蚀硅的MD模拟

6．1 溅射刻蚀形貌分析

6．1．1 最终刻蚀形貌

6．1．2 刻蚀形貌形成过程

6．2 基底原子轨迹分析和粒子分布

6．2．1 基底原子轨迹跟踪分析

6．2．2 镓离子和CNA缺陷在基底中的分布

6．3 离子溅射刻蚀硅的晶面效应

6．3．1 溅射刻蚀形貌差异

6．3．2 溅射产额差异

6．3．3 镓离子和CNA缺陷分布差异

6．3．4 晶面效应成因分析验证

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

作者简介