[發明專利]基于極紫外光的原子級材料可控去除方法

有效

• 申請號: 202010310860.0
• 申請日: 2020-04-20
• 公開（公告）號: CN111463122B
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發明（設計）人: 房豐洲;王金石
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01L21/268
• 分類號: H01L21/268
• 代理公司: 天津盛理知識產權代理有限公司 12209
• 代理人: 陳娟

本發明提出了一種基于極紫外光超短脈沖的原子層去除加工新方法，能夠有效避免機械加工帶來的表面損傷，通過增加輻照面積以及極紫外光束與載物工作臺的相對運動，可滿足實際生產的高效率要求；同時，由于所有材料對極紫外光具有強吸收作用，且吸收過程集中在極表層，因此與現有激光加工技術相比，顯著縮小了能量作用范圍、提高了加工精度，并具有極強的材料普適性，滿足原子級表面及結構的制造需求。

技術領域

本發明屬于原子及近原子尺度制造領域，涉及極紫外光超短脈沖技術，尤其是一種基于極紫外光超短脈沖的原子級材料可控去除方法。

背景技術

量子芯片、光子芯片等信息領域下一代核心器件是各國未來科技競爭的焦點。由于此類下一代核心器件的表面及特征結構已達到原子量級，對能量場的尺寸變化非常敏感。原子級表面是未來核心器件的基本要素，它一方面具有原子及近原子級的粗糙度、形狀誤差等幾何精度，同時要求材料晶格也處于低損傷甚至無損傷狀態。這種逼近材料極限的表面質量已經是包括能源、新型材料、信息、及環境等各領域的迫切需求，成為決定元器件工作性能的關鍵因素。

高精度的保障依賴于制造技術的進步，早期以經驗和技藝為基礎的制造精度僅為毫米級，隨著機械裝備、自動化、超精密機床與光刻技術的相繼問世，現階段制造已經達到微米與納米級可控精度。目前雖然存在可實現原子及近原子級表面的若干途徑，但由于尚處于實驗室階段或局限于概念探索，無法作為成熟的制造方案。如掃描隧道顯微鏡(STM)能夠對單個原子進行操縱，但極低的工作效率阻礙了其成為適合原子級表面批量生產的制造工藝；原子層刻蝕/沉積技術能夠實現薄膜厚度的原子尺度增減，然而化學過程要求工件與反應氣體具有較強的對應性，且難以獲得單晶沉積層；對于機械方法，當刀具的切入深度控制在亞納米至原子尺度時，理論上能夠實現原子層量級的材料去除，然而受到裝備定位精度、刀具刃口鋒銳程度等諸多因素限制，目前只能做到納米尺度可控。

理想的原子級表面制造技術應具有三個特點：(i)材料遷移量(增、減或轉移)處于原子尺度，這也是原子級精度的必要保障；(ii)對基底表面的損傷范圍應限制在原子尺度；(iii)效率與材料普適性滿足實際生產需求。基于光與物質相互作用的加工方法具有同時滿足上述特點的潛力，但目前激光加工技術仍處于納米精度階段。因此，如何降低光在物質中的能量沉積深度、減小晶格損傷，并實現原子尺度的可控材料遷移是亟待解決的關鍵問題，對制造技術從納米精度向原子尺度的革命性轉變具有重要意義。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足之處，提供一種基于極紫外光(EUV)超短脈沖的原子級材料可控去除的表面及結構制造新方法，利用極紫外波段材料的強吸收與能量沉積的高度表面局域化獨特性質，旨在對材料表面進行單個或幾個原子層量級的去除加工，獲得原子級低/無損傷高質量表面。

本發明解決技術問題的方案如下：

一種基于極紫外光的原子級材料可控去除方法，極紫外光輻照材料表面，對材料表面進行單個或兩個以上原子層量級的去除加工。

所述的材料為晶體或非晶材料。

所述的晶體材料具有規則的原子排列，如硅、碳化硅、金剛石、金、鋁等；所述的非晶材料具有不規則的原子排列，如玻璃、PMMA、非晶合金。

極紫外光子能量處于30-250eV范圍內，其能量下限(對應41.3nm波長)覆蓋了所有元素的第一電離能(3.89-24.58eV)、能量上限(對應4.96nm波長)則覆蓋所有元素的第二電離能(10.74-81.01eV)，這說明單個EUV光子就可以破壞材料的化學鍵、實現去除加工，與傳統意義上通過熱效應的激光加工具有本質性差異。為了進行原子層量級的高精度去除，需要對EUV輻照條件進行嚴格控制。

所述的極紫外光波長為4.96-41.3nm，脈沖寬度小于10ns，輻照能量密度低于0.1J/cm²。

本方法的具體步驟如下：