低能斜入射離子束誘導(dǎo)單晶硅納米結(jié)構(gòu)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(duì)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(duì)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(cè)量?jī)x和傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)刻蝕后硅片的表面形貌、粗糙度和光學(xué)透過率進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 當(dāng)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(xiàn)條紋狀結(jié)構(gòu)。入射角度在0° ~ 15°，隨著角度增加，樣品表面粗糙度增加，條紋周期減小，光學(xué)透過率提高；而在15°~ 30°范圍內(nèi)，隨著角度增加，粗糙度開始減小，條紋周期增大，同時(shí)光學(xué)透過率降低。繼續(xù)增加入射角度，條紋狀結(jié)構(gòu)逐漸消失，入射角度到45°時(shí)，粗糙度和光學(xué)透過率達(dá)到最小值；增加入射角度到55°，樣品表面出現(xiàn)自組織點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)，表面粗糙度急劇增大，光學(xué)透過率隨著角度增加開始增加；繼續(xù)增加離子束入射角度到80°，表面粗糙度和光學(xué)透過率繼續(xù)增加，樣品表面呈現(xiàn)出均勻有序的自組織柱狀結(jié)構(gòu)；此后，隨著入射角度的增加，表面粗糙度又開始減小，光學(xué)透過率降低。自組織條紋結(jié)構(gòu)到柱狀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變是濺射粗糙化和表面馳豫機(jī)制相互作用的結(jié)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(jié)構(gòu)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(jī)制相互作用還會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生多種自組織納米結(jié)構(gòu)。該技術(shù)具有離子束參數(shù)可控以及具有較高的圖形轉(zhuǎn)移精度，能夠?qū)�金屬、半�?dǎo)體、合金等材料均可以進(jìn)行加工，不會(huì)對(duì)樣品帶來污染，易于控制。

　　近年來，低能離子束刻蝕晶體表面形成自組織納米結(jié)構(gòu)一直是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的研究熱點(diǎn)。德國(guó)科學(xué)家S. Facsko 等通過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(dǎo)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，一直從事自組織納米結(jié)構(gòu)形成的研究，他們主要是用Ar+ 、Kr+ 、Xe+ 等氣體離子對(duì)InP、Gasb、InAs、S i、Ge 表面進(jìn)行低能離子束刻蝕。研究發(fā)現(xiàn): 當(dāng)樣品不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，離子束以一定的角度入射時(shí)，樣品表面就會(huì)產(chǎn)生類似條紋狀的納米結(jié)構(gòu)，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；通過進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究，他們還發(fā)現(xiàn)在樣品發(fā)生旋轉(zhuǎn)的情況下，離子束垂直或傾斜入射于單晶半導(dǎo)體表面，都會(huì)形成自組織納米點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)�？刂齐x子束參數(shù)，可使這些納米級(jí)的點(diǎn)具有六邊形或正方形的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，并且排列有序，呈現(xiàn)出相對(duì)整齊的分布。2008 年T. W.H. Oates 等離子束刻蝕形成的規(guī)則有序的條紋結(jié)構(gòu)，在其上沉積一層金屬，退火生成規(guī)則銀和鈷納米線，并說明這種技術(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工藝簡(jiǎn)單，效率高。而在國(guó)內(nèi)對(duì)離子束刻蝕自組織納米結(jié)構(gòu)的研究不是很多，但對(duì)離子束刻蝕工藝有了一定的研究。

　　目前國(guó)外對(duì)Si，Ge，InP 和GaAs 等半導(dǎo)體材料的離子束刻蝕參數(shù)與微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)相當(dāng)于一層介質(zhì)，這層等效介質(zhì)相當(dāng)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(wěn)定、不會(huì)脫落，可大大提高薄膜的高溫閾值，而且納米微結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的增透性質(zhì)，通過控制組裝條件可以控制膜層厚度實(shí)現(xiàn)可見光到近紅外高增透效率。因此本文通過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(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的變化規(guī)律。

1、實(shí)驗(yàn)條件

　　為了研究低能離子束在斜入射下對(duì)單晶Si 的刻蝕作用，在自制的離子束刻蝕系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。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(dǎo)、放電室、工作室、真空系統(tǒng)與配氣系統(tǒng)組成。微波源采用頻率為2.45 GHz、功率0~ 400 W 可調(diào)，產(chǎn)生的微波經(jīng)耦合波導(dǎo)、環(huán)行器、定向耦合器、阻抗匹配器及直波導(dǎo)輸入放電室。在放電室內(nèi)，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(yùn)動(dòng)，在磁場(chǎng)強(qiáng)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(xiàn)等離子體放電，獲得活性反應(yīng)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(jié)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(duì)單晶Si (100) 表面進(jìn)行了刻蝕，采用AFM、非接觸式表面測(cè)量?jī)x和傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)刻蝕后硅片的表面形貌、表面粗糙度和光學(xué)透過率進(jìn)行了測(cè)量，研究了低能Ar+ 離子束在不同入射角度下對(duì)單晶Si 刻蝕效果及光學(xué)性能。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 當(dāng)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(xiàn)條紋狀結(jié)構(gòu)且隨著入射角度的增加，自組裝條紋結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)先變密集后疏松的趨勢(shì)，此時(shí)離子束刻蝕起主要作用。隨著條紋狀結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，入射角度在0°~ 15°，隨著角度增加，樣品表面粗糙度增加，條紋周期減小，光學(xué)透過率提高；而在15°~ 30°范圍內(nèi)，隨著角度增加，條紋周期增大，粗糙度開始減小，同時(shí)光學(xué)透過率降低。繼續(xù)增加入射角度，條紋狀結(jié)構(gòu)逐漸消失,到入射角度45°時(shí)，粗糙度和光學(xué)透過率到達(dá)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(xiàn)明顯的自組織點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)，表面粗糙度急劇增大，光學(xué)透過率隨著角度增加開始增加；繼續(xù)增加離子束入射角度到80°，表面粗糙度和光學(xué)透過率繼續(xù)增加，樣品表面呈現(xiàn)出均勻有序的自組織柱狀結(jié)構(gòu)，此時(shí)表面粗糙起主要作用；此后，隨著入射角度的增加，表面粗糙度又開始減小，光學(xué)透過率開始降低。自組織條紋結(jié)構(gòu)到柱狀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變是濺射粗糙化和表面馳豫機(jī)制相互作用的結(jié)果，隨著時(shí)間的增加，由于樣片表面原子擴(kuò)散影響，點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)排列趨于均勻。