低能斜入射离子束诱导单晶硅纳米结构与光学性能研究

　　为了研究低能Ar+ 离子束在不同入射角度下对单晶硅表面的刻蚀效果及光学性能，使用微波回旋共振离子源，对单晶Si(100) 表面进行刻蚀，采用原子力显微镜、非接触式表面测量仪和傅里叶变换红外光谱仪对刻蚀后硅片的表面形貌、粗糙度和光学透过率进行了测量。实验结果表明: 当离子束能量为1000 eV、束流密度为265 uA.cm^-2、刻蚀时间为30 min 时，离子束入射角度从0°增加到30°，样品表面出现条纹状结构。入射角度在0° ~ 15°，随着角度增加，样品表面粗糙度增加，条纹周期减小，光学透过率提高；而在15°~ 30°范围内，随着角度增加，粗糙度开始减小，条纹周期增大，同时光学透过率降低。继续增加入射角度，条纹状结构逐渐消失，入射角度到45°时，粗糙度和光学透过率达到最小值；增加入射角度到55°，样品表面出现自组织点状结构，表面粗糙度急剧增大，光学透过率随着角度增加开始增加；继续增加离子束入射角度到80°，表面粗糙度和光学透过率继续增加，样品表面呈现出均匀有序的自组织柱状结构；此后，随着入射角度的增加，表面粗糙度又开始减小，光学透过率降低。自组织条纹结构到柱状结构的转变是溅射粗糙化和表面驰豫机制相互作用的结果。

　　低能离子束溅射/ 刻蚀固体表面作为一种高效、简便、低成本制造大面积有序纳米结构的加工手段,除了产生材料去除，溅射粗糙化和表面驰豫机制相互作用还会诱导产生多种自组织纳米结构。该技术具有离子束参数可控以及具有较高的图形转移精度，能够对金属、半导体、合金等材料均可以进行加工，不会对样品带来污染，易于控制。

　　近年来，低能离子束刻蚀晶体表面形成自组织纳米结构一直是欧美发达国家的研究热点。德国科学家S. Facsko 等通过Ar+ 离子正入射刻蚀GaSb(100) 表面，获得了高密度自组装、尺寸一致的半导体量子点，且具有高纵横比的特征。科学家B.Ziberi 等自2001 年以来，一直从事自组织纳米结构形成的研究，他们主要是用Ar+ 、Kr+ 、Xe+ 等气体离子对InP、Gasb、InAs、S i、Ge 表面进行低能离子束刻蚀。研究发现: 当样品不发生旋转，离子束以一定的角度入射时，样品表面就会产生类似条纹状的纳米结构，如果离子束接近于垂直入射，条纹方向与入射离子束方向垂直，而在离子束接近掠入射下，条纹方向会与入射离子束方向平行；通过进行大量的实验研究，他们还发现在样品发生旋转的情况下，离子束垂直或倾斜入射于单晶半导体表面，都会形成自组织纳米点状结构。控制离子束参数，可使这些纳米级的点具有六边形或正方形的对称结构，并且排列有序，呈现出相对整齐的分布。2008 年T. W.H. Oates 等离子束刻蚀形成的规则有序的条纹结构，在其上沉积一层金属，退火生成规则银和钴纳米线，并说明这种技术可以延伸到许多基底材料、图形阵列和纳米粒子材料的加工。这种方法制作纳米线工艺简单，效率高。而在国内对离子束刻蚀自组织纳米结构的研究不是很多，但对离子束刻蚀工艺有了一定的研究。

　　目前国外对Si，Ge，InP 和GaAs 等半导体材料的离子束刻蚀参数与微结构关系做了很多研究，但光学性能的研究很少。刻蚀产生的纳米自组装微结构相当于一层介质，这层等效介质相当于在样品表面加上一层薄膜，这层薄膜与基底为同一材料，其性能稳定、不会脱落，可大大提高薄膜的高温阈值，而且纳米微结构具有优异的增透性质，通过控制组装条件可以控制膜层厚度实现可见光到近红外高增透效率。因此本文通过控制离子束不同入射角度，研究刻蚀后硅片表面纳米组装微结构和光学性能的变化规律。

1、实验条件

　　为了研究低能离子束在斜入射下对单晶Si 的刻蚀作用，在自制的离子束刻蚀系统进行了实验。采用微波回旋共振离子源产生等离子体。微波回旋共振离子源(ECR) 如图1 所示，该离子源由微波源与传输波导、放电室、工作室、真空系统与配气系统组成。微波源采用频率为2.45 GHz、功率0~ 400 W 可调，产生的微波经耦合波导、环行器、定向耦合器、阻抗匹配器及直波导输入放电室。在放电室内，电子在垂直磁场的平面上受洛伦兹力的作用而做回旋运动，在磁场强度8715 mT 处，电子回旋频率和沿磁场传播的右旋圆极化微波频率相等( 2.45 GHz) 产生共振，电子在微波电场中被不断同步加速而获得的足够大能量，碰撞气体分子使其电离，实现等离子体放电，获得活性反应离子，形成高密度的ECR 低温等离子体。

图1 微波回旋共振离子源工作原理示意图

结论

　　使用微波回旋共振离子源，利用低能Ar+ 离子束在不同入射角度下对单晶Si (100) 表面进行了刻蚀，采用AFM、非接触式表面测量仪和傅里叶变换红外光谱仪对刻蚀后硅片的表面形貌、表面粗糙度和光学透过率进行了测量，研究了低能Ar+ 离子束在不同入射角度下对单晶Si 刻蚀效果及光学性能。

　　实验结果表明: 当离子束能量为1000 eV、束流密度为265 uA.cm- 2、刻蚀时间为30 min 时，离子束入射角度从0°增加30°，样品表面出现条纹状结构且随着入射角度的增加，自组装条纹结构整体呈现先变密集后疏松的趋势，此时离子束刻蚀起主要作用。随着条纹状结构的出现，入射角度在0°~ 15°，随着角度增加，样品表面粗糙度增加，条纹周期减小，光学透过率提高；而在15°~ 30°范围内，随着角度增加，条纹周期增大，粗糙度开始减小，同时光学透过率降低。继续增加入射角度，条纹状结构逐渐消失,到入射角度45°时，粗糙度和光学透过率到达最小值，离子束主要起抛光作用；增加入射角度到55°，样品表面出现明显的自组织点状结构，表面粗糙度急剧增大，光学透过率随着角度增加开始增加；继续增加离子束入射角度到80°，表面粗糙度和光学透过率继续增加，样品表面呈现出均匀有序的自组织柱状结构，此时表面粗糙起主要作用；此后，随着入射角度的增加，表面粗糙度又开始减小，光学透过率开始降低。自组织条纹结构到柱状结构的转变是溅射粗糙化和表面驰豫机制相互作用的结果，随着时间的增加，由于样片表面原子扩散影响，点状结构排列趋于均匀。