[发明专利]一种原子级表面及结构超短脉冲光高效加工方法

说明书

本发明涉及一种原子级表面及结构超短脉冲光高效加工方法，利用光子能量切断材料表面原子之间的化学键，进行深度方向原子层量级可控材料去除；通过掩模与光束能量中心对准保证待加工结构的横向尺寸精度与加工均匀性；同时，采用多路分束并行加工满足大规模量产的高效率需求。本发明提出了一种基于光学超短脉冲的原子级结构表面加工方法，根据待加工材料的物化属性有针对性地选择光源波长，提高原子层去除的极限精度，避免热过程导致的晶格损伤。

技术领域

本发明属于原子及近原子尺度制造(ACSM)领域，尤其是一种原子级表面及结构超短脉冲光高效加工方法。

背景技术

表面结构是微电子、光学等领域核心器件的基本元素，这些结构的尺度与精度直接决定器件的工作性能。一个典型例子是集成电路上的晶体管数量每两年增加一倍(即摩尔定律)，Intel单枚处理器上的晶体管从20世纪70年代的2300个提升至2015年的15亿个，如今可在1cm²的面积上分布69亿个元器件。集成度的增长一方面带来使用性能的飞跃，另一方面意味着元器件结构尺寸的降低，如集成电路线宽从早期的6μm已经减小至目前的7nm以及5nm，并向3nm推进。芯片微缩的同时还要保证尺寸的相对精度或形状变化的均匀性(一般为10％)，这将使得特征结构尺寸达到原子量级。实现原子级表面及结构同样是基于量子效应工作的下一代核心器件的必然要求，微观粒子的波函数与能级分布对能量场的几何尺寸十分敏感，精度的保障是获得稳定可控性能的关键。

高精度的实现依赖于制造，表面结构目前主要以自上而下(top-down)的方式进行生产。其中一类是先通过超精密机械加工或能量束加工在模具材料上获得小面积结构表面，再以压印或其他复制方式进行大面积量产。由于结构复制涉及力学变形过程，且随着使用次数的增加模具出现磨损，目前只能实现纳米级结构的制备。另一类是半导体产业中的光刻技术，表面结构的横向精度可通过微缩投影系统以及曝光图案的高对比度予以保证，深度方向的精度则需要在刻蚀环节中进行控制。反应离子刻蚀(RIE)是目前的主流技术，而原子级精度要求对材料以原子层为单位进行可控去除，这对RIE带来了巨大挑战；另外，等离子体的轰击也会引起晶格损伤，影响材料的微观特性。综上，现阶段绝大部分制造技术只能实现纳米级尺度和精度，未来信息化核心器件如量子芯片的产品化抑或是摩尔定律能否延续直接取决于制造的发展，也预示了制造技术将进入原子及近原子尺度时代。

原子及近原子尺度制造需要在原子量级下对材料进行可控的增减或转移，一种有望用于实际生产的技术是原子层刻蚀(ALE)，通过自限性化学反应进行单原子层去除。由于存在去除速率、选择性损失、净沉积和自发刻蚀等问题，理想的原子级高精度依然难以实现，离子或中性粒子的轰击环节也可能破坏极表层原子排列。扫描隧道显微镜(STM)能够实现单个原子操控，可用于量子结构的制备与原子尺度掺杂，是目前精度最高的方法之一，但极低的工作效率阻碍了其成为适合原子级表面批量生产的制造工艺。因此，如何兼顾原子尺度的材料去除以保证原子级精度、并具有足够的加工效率是制造领域亟待解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种原子级表面及结构超短脉冲光高效加工方法，利用光子能量切断材料表面原子之间的化学键，进行深度方向原子层量级可控材料去除；通过掩模与光束能量中心对准保证待加工结构的横向尺寸精度与加工均匀性；同时，采用多路分束并行加工满足大规模量产的高效率需求。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种原子级表面及结构超短脉冲光高效加工方法，包括如下步骤：

(1)材料表面预处理，使表面粗糙度低于1nm(Sa)；

(2)确定辐照参数：根据材料参数与原子层去除数目N确定入射光的波长上限λ_max与能量密度初始值选择波长小于等于并尽可能接近λ_max的光源，根据光源的单脉冲能量与宽度建立数值分析模型，从出发分析去除N个原子层所需要的辐照能量密度根据加工位置处的光斑面积及光源输出功率计算曝光时间；