[发明专利]极紫外光与等离子体复合原子尺度加工方法

说明书

本发明涉及一种极紫外光与等离子体复合原子尺度加工方法，协同使用极紫外光与等离子体处理材料表面，实现材料表面原子尺度的加工。模式1采用极紫外光代替化学吸附进行表面激活，拓宽了材料的普适性并提高了效率；模式2采用极紫外光代替了等离子体轰击进行材料去除，一方面避免了引入杂质元素的可能，另一方面，由于具有相同状态的大量光子能够共存(玻色子)，就可以实现很低的能量分散度(即高单色性)，提高加工的确定性；模式3在经典等离子体ALE的基础上增加了极紫外增强激发环节，使得单独由离子轰击造成的材料去除转变为由极紫外光场与离子轰击共同决定，能够有效降低入射离子能量及加工表面损伤。

技术领域

本发明属于原子及近原子尺度制造领域，涉及极紫外光技术及等离子体刻蚀技术，尤其是一种极紫外光与等离子体复合原子尺度加工方法。

背景技术

信息、能源、材料等高技术领域中关键元器件的性能取决于其精度，而高精度的实现需要先进的制造技术予以保证。以集成电路芯片为例，从二十世纪七十年代以来至今，单位面积内的晶体管数量一直按照摩尔定律的预测方式增长，这与光刻、超精密加工及测量等制造技术的发展密不可分。随着线宽从当前的7nm、5nm、向3nm甚至更小尺寸的发展，对具有原子及近原子级精度制造技术的迫切需求已经成为必然的结果。不论下一代芯片是基于量子效应、光子学、生物分子相互作用抑或是其它工作原理，能够对材料进行原子尺度可控的增、减或转移，同时兼具适合批量生产的高效率是制造技术将面临的核心问题与挑战。

现有的原子尺度操控的实验室技术，如扫描隧道显微镜、原子力显微镜、扫描透射电镜等，虽然其中某些方法可以用于单个原子的操控，但是极低的效率阻碍了其成为产品制造的理想方案。例如，量子芯片需要将量子点分布在原子级平坦的阶梯表面上，如果仅靠单个移除原子来获得这种表面，极长的时间以及由此带来的稳定性问题都是难以接受的。因此，成熟的原子尺度制造方法尚未出现。

光学加工是另一类重要的微纳制造手段，并且有望发展成为原子及近原子尺度制造技术，其高效率及环境友好性更适合未来制造。只要能够将入射光束的有效作用范围限制在原子层尺度，理论上就可以做到原子级精度的材料去除。极紫外光在所有材料中会发生强吸收，其能量沉积仅发生在极表面；又由于极紫外单光子能量高于化学键能的典型值，能够明显改变电子态甚至直接切断化学键，因而可有效抑制传统激光加工材料去除时伴随的热效应，成为潜在的原子尺度加工理想波段。然而，光源稳定性与材料原子局部环境差异等因素会对加工的选择性带来影响(比如目标去除一层原子，而实际却去除了多层)，因此，如果能引入自限性机制，就可以有效提升极紫外光原子层加工技术的极限精度与可控性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种极紫外光与等离子体复合原子尺度加工方法，利用极紫外光子与等离子体活性粒子的协同作用，对待加工材料极表面进行激活或改性；通过匹配极紫外光场与等离子体束流的参数，增加材料表层与内部的原子间结合能差，从而提高原子层去除的选择性与工艺灵活性。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种极紫外光与等离子体复合原子尺度加工方法，协同使用极紫外光与等离子体处理材料表面，实现材料表面原子尺度的加工。

第一种模式：先采用极紫外光辐照材料表面，使被激发的表层原子间结合能低于材料内部的体结合能，再使用等离子体粒子轰击去除被激活的原子。控制离子入射能量，使其传递给靶原子的能量介于材料表层激发态结合能与体结合能之间。

第二种模式：先将高化学活性的等离子体粒子吸附在材料表面降低表面原子结合能，再进行极紫外光辐照。控制极紫外光辐照功率与时间，使单位面积的光子吸收能量介于材料原子表层改性区结合能面密度与体结合能面密度之间。

第三种模式：先将高化学活性的等离子体粒子吸附在材料表面降低表面原子结合能，再同时进行极紫外光辐照与低能等离子体轰击。只有当极紫外与入射离子同时作用于改性表面时才发生大规模原子出射，且共同作用的总能量小于体结合能。