低能斜入射離子束誘導單晶硅納米結構與光學(xué)性能研究

　　為了研究低能Ar+ 離子束在不同入射角度下對單晶硅表面的刻蝕效果及光學(xué)性能，使用微波回旋共振離子源，對單晶Si(100) 表面進(jìn)行刻蝕，采用原子力顯微鏡、非接觸式表面測量?jì)x和傅里葉變換紅外光譜儀對刻蝕后硅片的表面形貌、粗糙度和光學(xué)透過(guò)率進(jìn)行了測量。實(shí)驗結果表明: 當離子束能量為1000 eV、束流密度為265 uA.cm^-2、刻蝕時(shí)間為30 min 時(shí)，離子束入射角度從0°增加到30°，樣品表面出現條紋狀結構。入射角度在0° ~ 15°，隨著(zhù)角度增加，樣品表面粗糙度增加，條紋周期減小，光學(xué)透過(guò)率提高；而在15°~ 30°范圍內，隨著(zhù)角度增加，粗糙度開(kāi)始減小，條紋周期增大，同時(shí)光學(xué)透過(guò)率降低。繼續增加入射角度，條紋狀結構逐漸消失，入射角度到45°時(shí)，粗糙度和光學(xué)透過(guò)率達到最小值；增加入射角度到55°，樣品表面出現自組織點(diǎn)狀結構，表面粗糙度急劇增大，光學(xué)透過(guò)率隨著(zhù)角度增加開(kāi)始增加；繼續增加離子束入射角度到80°，表面粗糙度和光學(xué)透過(guò)率繼續增加，樣品表面呈現出均勻有序的自組織柱狀結構；此后，隨著(zhù)入射角度的增加，表面粗糙度又開(kāi)始減小，光學(xué)透過(guò)率降低。自組織條紋結構到柱狀結構的轉變是濺射粗糙化和表面馳豫機制相互作用的結果。

　　低能離子束濺射/ 刻蝕固體表面作為一種高效、簡(jiǎn)便、低成本制造大面積有序納米結構的加工手段,除了產(chǎn)生材料去除，濺射粗糙化和表面馳豫機制相互作用還會(huì )誘導產(chǎn)生多種自組織納米結構。該技術(shù)具有離子束參數可控以及具有較高的圖形轉移精度，能夠對金屬、半導體、合金等材料均可以進(jìn)行加工，不會(huì )對樣品帶來(lái)污染，易于控制。

　　近年來(lái)，低能離子束刻蝕晶體表面形成自組織納米結構一直是歐美發(fā)達國家的研究熱點(diǎn)。德國科學(xué)家S. Facsko 等通過(guò)Ar+ 離子正入射刻蝕GaSb(100) 表面，獲得了高密度自組裝、尺寸一致的半導體量子點(diǎn)，且具有高縱橫比的特征�？茖W(xué)家B.Ziberi 等自2001 年以來(lái)，一直從事自組織納米結構形成的研究，他們主要是用Ar+ 、Kr+ 、Xe+ 等氣體離子對InP、Gasb、InAs、S i、Ge 表面進(jìn)行低能離子束刻蝕。研究發(fā)現: 當樣品不發(fā)生旋轉，離子束以一定的角度入射時(shí)，樣品表面就會(huì )產(chǎn)生類(lèi)似條紋狀的納米結構，如果離子束接近于垂直入射，條紋方向與入射離子束方向垂直，而在離子束接近掠入射下，條紋方向會(huì )與入射離子束方向平行；通過(guò)進(jìn)行大量的實(shí)驗研究，他們還發(fā)現在樣品發(fā)生旋轉的情況下，離子束垂直或傾斜入射于單晶半導體表面，都會(huì )形成自組織納米點(diǎn)狀結構�？刂齐x子束參數，可使這些納米級的點(diǎn)具有六邊形或正方形的對稱(chēng)結構，并且排列有序，呈現出相對整齊的分布。2008 年T. W.H. Oates 等離子束刻蝕形成的規則有序的條紋結構，在其上沉積一層金屬，退火生成規則銀和鈷納米線(xiàn)，并說(shuō)明這種技術(shù)可以延伸到許多基底材料、圖形陣列和納米粒子材料的加工。這種方法制作納米線(xiàn)工藝簡(jiǎn)單，效率高。而在國內對離子束刻蝕自組織納米結構的研究不是很多，但對離子束刻蝕工藝有了一定的研究。

　　目前國外對Si，Ge，InP 和GaAs 等半導體材料的離子束刻蝕參數與微結構關(guān)系做了很多研究，但光學(xué)性能的研究很少�？涛g產(chǎn)生的納米自組裝微結構相當于一層介質(zhì)，這層等效介質(zhì)相當于在樣品表面加上一層薄膜，這層薄膜與基底為同一材料，其性能穩定、不會(huì )脫落，可大大提高薄膜的高溫閾值，而且納米微結構具有優(yōu)異的增透性質(zhì)，通過(guò)控制組裝條件可以控制膜層厚度實(shí)現可見(jiàn)光到近紅外高增透效率。因此本文通過(guò)控制離子束不同入射角度，研究刻蝕后硅片表面納米組裝微結構和光學(xué)性能的變化規律。

1、實(shí)驗條件

　　為了研究低能離子束在斜入射下對單晶Si 的刻蝕作用，在自制的離子束刻蝕系統進(jìn)行了實(shí)驗。采用微波回旋共振離子源產(chǎn)生等離子體。微波回旋共振離子源(ECR) 如圖1 所示，該離子源由微波源與傳輸波導、放電室、工作室、真空系統與配氣系統組成。微波源采用頻率為2.45 GHz、功率0~ 400 W 可調，產(chǎn)生的微波經(jīng)耦合波導、環(huán)行器、定向耦合器、阻抗匹配器及直波導輸入放電室。在放電室內，電子在垂直磁場(chǎng)的平面上受洛倫茲力的作用而做回旋運動(dòng)，在磁場(chǎng)強度8715 mT 處，電子回旋頻率和沿磁場(chǎng)傳播的右旋圓極化微波頻率相等( 2.45 GHz) 產(chǎn)生共振，電子在微波電場(chǎng)中被不斷同步加速而獲得的足夠大能量，碰撞氣體分子使其電離，實(shí)現等離子體放電，獲得活性反應離子，形成高密度的ECR 低溫等離子體。

圖1 微波回旋共振離子源工作原理示意圖

結論

　　使用微波回旋共振離子源，利用低能Ar+ 離子束在不同入射角度下對單晶Si (100) 表面進(jìn)行了刻蝕，采用AFM、非接觸式表面測量?jì)x和傅里葉變換紅外光譜儀對刻蝕后硅片的表面形貌、表面粗糙度和光學(xué)透過(guò)率進(jìn)行了測量，研究了低能Ar+ 離子束在不同入射角度下對單晶Si 刻蝕效果及光學(xué)性能。

　　實(shí)驗結果表明: 當離子束能量為1000 eV、束流密度為265 uA.cm- 2、刻蝕時(shí)間為30 min 時(shí)，離子束入射角度從0°增加30°，樣品表面出現條紋狀結構且隨著(zhù)入射角度的增加，自組裝條紋結構整體呈現先變密集后疏松的趨勢，此時(shí)離子束刻蝕起主要作用。隨著(zhù)條紋狀結構的出現，入射角度在0°~ 15°，隨著(zhù)角度增加，樣品表面粗糙度增加，條紋周期減小，光學(xué)透過(guò)率提高；而在15°~ 30°范圍內，隨著(zhù)角度增加，條紋周期增大，粗糙度開(kāi)始減小，同時(shí)光學(xué)透過(guò)率降低。繼續增加入射角度，條紋狀結構逐漸消失,到入射角度45°時(shí)，粗糙度和光學(xué)透過(guò)率到達最小值，離子束主要起拋光作用；增加入射角度到55°，樣品表面出現明顯的自組織點(diǎn)狀結構，表面粗糙度急劇增大，光學(xué)透過(guò)率隨著(zhù)角度增加開(kāi)始增加；繼續增加離子束入射角度到80°，表面粗糙度和光學(xué)透過(guò)率繼續增加，樣品表面呈現出均勻有序的自組織柱狀結構，此時(shí)表面粗糙起主要作用；此后，隨著(zhù)入射角度的增加，表面粗糙度又開(kāi)始減小，光學(xué)透過(guò)率開(kāi)始降低。自組織條紋結構到柱狀結構的轉變是濺射粗糙化和表面馳豫機制相互作用的結果，隨著(zhù)時(shí)間的增加，由于樣片表面原子擴散影響，點(diǎn)狀結構排列趨于均勻。