Controlebare fabricage van niet-close-packed colloïdale nanodeeltjesarrays door ionenstraaletsen

Resultaten en discussie

De oppervlaktemorfologie van zelf-geassembleerde PS-nanosfeerfilm zonder ionenstraalbehandeling wordt getoond in figuur 1a. De zeshoekige dicht opeengepakte arrays van PS-nanosferen zijn duidelijk aanwezig. Sommige defecten, nanosferen die op de arrays zijn gestapeld, worden ook gelijktijdig waargenomen. Het is over het algemeen moeilijk om een ​​perfecte monolaag van de nanobolletjes met een diameter van 100 nm te verkrijgen. De PS-bollen met een diameter van 200 nm tot enkele micrometers zijn eenvoudig te assembleren tot zeer geordende arraystructuren op Si-wafer [1]. De reden voor het selecteren van de nanobolletjes met een diameter van 100 nm in ons experiment is om de etssnelheid te vergelijken met die verkregen door ICPE [22, 23]. Het is algemeen bekend dat hoe kleiner de diameter van PS-deeltjes, hoe hoger de etssnelheid bij dezelfde omstandigheden [20]. Bovendien is de potentiële toepassing van de geordende nanostructuren met een diameter van minder dan 100 nm aantrekkelijk.

SEM-afbeeldingen van PS-nanodeeltjes na etsen voor 0 (a ), 5 (b ), 7 (c ), 9 (d ), 10 (e ), en 11 min (f )

Om de evolutie van nanodeeltjesdiameters met belichtingstijd te ontdekken, werden de bundelstroom van 3 mA en de spanning van 1 kV geselecteerd, en de tijd werd ingesteld op respectievelijk 5, 7, 9, 10 en 11 min. Zoals getoond in Fig. 1 neemt de diameter van PS-nanodeeltjes geleidelijk af en wordt de ruimte tussen de deeltjes vergroot naarmate de etstijd toeneemt. Voor de monsters met een etstijd van 5, 7 en 9 minuten is het bereik van nanodeeltjesdiameters respectievelijk ongeveer 88 ± 9, 75 ± 8 en 54 ± 8 nm. Na 10 minuten etsen is de grootte-uniformiteit van PS-nanodeeltjes verslechterd en zijn de diameters van de nanodeeltjes ongeveer 34 ± 10 nm. Na 11 minuten blootstelling aan een ionenbundel, verspreiden slechts een paar nanodeeltjes zich op het oppervlak van de Si-wafel. Deze resterende nanodeeltjes kunnen afkomstig zijn van de etsproducten van de defecten.

Figuur 2 toont de relatie tussen de dwarsdiameter van nanodeeltjes en de etstijd. Er wordt een niet-lineaire vermindering van de dwarsdiameter waargenomen bij toenemende etstijd. Deze trend is een belangrijk kenmerk van anisotrope etstechnologie en vergelijkbaar met die van eerdere werken die zijn opgesteld door RIE en PE [16,17,18,19,20]. Verder is een ander kenmerk van anisotrope etstechnologie te zien in Fig. 3. Vergelijking van de morfologie van de dwarsdoorsnede van de deeltjes zonder te etsen met die na blootstelling aan een ionenbundel gedurende 5 minuten, een vormovergang van PS-deeltjes van een bol naar een niet-sferische morfologie wordt duidelijk waargenomen. Sinds Ar ⁺ ionenbundel bombardeert het bovenoppervlak van PS-deeltjes onder de conditie van normale inval, waar het fysieke sputteren bij voorkeur zal plaatsvinden. Het lateraal etsen van PS-deeltjes als gevolg van het bombardement van Ar-plasma vindt mogelijk niet plaats vanwege een scheiding van ionenproductie en versnelling van de monsters. De etssnelheid in de lengterichting van de deeltjes is hoger dan die in de dwarsrichting. Een verschil tussen etssnelheden in twee verschillende richtingen induceert het anisotrope etsen van PS-nanodeeltjes. Dientengevolge is de longitudinale diameter van niet-bolvormige deeltjes kleiner dan hun transversale diameter. De vorm van de dwarsdoorsnede van niet-bolvormige deeltjes lijkt op een ellips, terwijl de oppervlaktemorfologie van niet-bolvormige deeltjes nog steeds een cirkel is. Bovendien toonde Tan aan dat het etsen van PS-deeltjes in de lengterichting uniform was met toenemende etstijd voor RIE-technologie [17]. De etssnelheid wordt dus meestal gedefinieerd als de vermindering van de lengtediameters per tijdseenheid [17, 20]. Op basis van de vormovergang van deeltjes kan de etssnelheid in de lengterichting als volgt worden berekend [20]:

waar D is de dwarsdiameter van PS-deeltjes, R ₀ is de straal van de initiële PS-nanosfeer, k is de etssnelheid in de lengterichting, en t is de etstijd. Volgens vgl. 1, wordt de etssnelheid bij de belichtingstijd van 5, 9 en 10 min berekend op respectievelijk ongeveer 9,2, 9,3 en 9,4 nm/min in ons experiment. Deze waarden zijn kleiner dan die verkregen uit RIE [17, 21] en PE [20], terwijl ze dicht bij de waarden van ICPE [22, 23] liggen. Er wordt gesuggereerd dat IBE-technologie een groter potentieel heeft om het etsproces van PS-nanodeeltjes beter te beheersen vanwege hun lage etssnelheid.

Tijdsafhankelijkheid van de reductie van traversediameters na ionenstraalbehandeling. De stippellijn is experimentele gegevens, terwijl de rode het berekende resultaat is op basis van Vgl. 1 met het instellen van de k waarde als 9,2 nm/min

FESEM-afbeeldingen in dwarsdoorsnede van PS-nanodeeltjes met een diameter van 200 nm (a ) en die na 5 min etsen (b ). Om de vormovergang van nanodeeltjes duidelijk weer te geven, werd de nanosfeer met een diameter van 200 nm gebruikt. De vormovergang van nanobolletjes met verschillende initiële diameters is hetzelfde na blootstelling aan een ionenbundel

Bovendien wordt ook opgemerkt dat de etssnelheid niet-uniform is met toenemende tijd. In figuur 2 vallen de experimentele punten onder de theoretische waarde berekend op basis van Vgl. 1 met het instellen van de k waarde als 9,2 nm/min. Dit geeft aan dat de etssnelheid toeneemt bij een langere etstijd. De evolutie is anders dan de resultaten die voornamelijk afhingen van de chemische reactie tussen zuurstofplasma en polystyreen (zoals RIE en ICPE) [16,17,18, 22, 23]. Een vergelijkbare tendens werd ook gemeld door Cao et al. [20] recentelijk gebruikmakend van de PE-technologie. Ze stelden voor dat de hogere etssnelheid bij langere belichtingstijd werd toegeschreven aan het optreden van lateraal etsen. Het laterale etsen van PS-deeltjes als gevolg van het plasmabombardement komt echter mogelijk niet voor in het IBE-systeem. We veronderstellen dat de thermische energie die zich geleidelijk ophoopt tijdens het fysieke bombardement van versnelde ionen een significante invloed kan hebben op de etssnelheid bij langere belichtingstijd. Een toename van de etssnelheid van PS-deeltjes is bewezen door Plettl et al. [22] na gloeien bij 75 °C. Het is algemeen bekend dat een deel van de kinetische energie van de versnelde ionen zal worden omgezet in de thermische energie van monsters na behandeling met een ionenbundel. Okuyama en Fujimoto [27] toonden aan dat het doelwit na Ar ⁺ tot 2000 °C kan worden verwarmd ionenbombardement als het doelwit een slechte warmtegeleiding had. In feite kan het grootste deel van de thermische energie van het watergekoelde doel worden weggenomen. Maar de temperatuur van monsters die op het doelwit zijn geplaatst met water- of gaskoeling wordt nog steeds binnen een bereik van 70-150 ° C gehouden na een langdurige behandeling van de ionenbundel [28, 29]. Wanneer de substraattemperatuur hoger is dan 135 °C, kunnen PS-nanobolletjes smelten en aan elkaar hechten [30]. Dit fenomeen wordt niet waargenomen in onze monsters, wat aangeeft dat de temperatuur niet hoger zal zijn dan 135 ° C tijdens het proces van ionenbundelbombardement. Daarom kan de toename van de etssnelheid bij langere belichtingstijd worden toegeschreven aan het thermische effect van ionenbombardement. Op dit moment wordt het etsen van PS-nanodeeltjes bepaald door het fysieke sputteren en het thermische effect samen.

Voor zover wij weten, kunnen de hexagonale niet-dicht opeengepakte arrays van PS-deeltjes die aan Si-wafer zijn gehecht, niet op de markt worden gekocht. Een mogelijke reden is dat de arrays die zijn gefabriceerd met behulp van RIE en/of ICPE gemakkelijk kunnen worden gescheiden van Si-wafer. Om de snelheid van niet-gesloten-verpakte arrays vervaardigd door ICPE te vergelijken met die van de arrays bereid door IBE, werden twee monsters met vergelijkbare nanodeeltjesdiameters en periodiciteit geproduceerd door respectievelijk ICPE en IBE-systeem. Na onderdompeling in 2,5% HF-oplossing gedurende 3 minuten en vervolgens spoelen met gedeïoniseerd water, verdwijnen de nanodeeltjes in het door ICPE bereide monster, terwijl de nanodeeltjes in het door IBE vervaardigde monster nog steeds aan het oppervlak van Si-wafel hechten zonder hun periodiciteit te veranderen . Er wordt aangegeven dat de snelheid van PS-nanodeeltjes bereid door IBE beter is vanwege het thermische effect van ionenbundelbombardement. Voor verdere toepassing kunnen de nanodeeltjes worden verwijderd door ze 2 uur onder te dompelen in een dichloormethaanoplossing. Deze resultaten suggereren dat de niet-dicht opeengepakte arrays van PS-deeltjes die zijn bereid door gebruik te maken van IBE een groot potentieel hebben om de commerciële toepassing van nanosfeerlithografie te bevorderen. En de niet-close-packed arrays kunnen in de toekomst op de markt verkrijgbaar zijn.

De bundelstroom is ook een belangrijke factor om de etssnelheid in IBE te regelen. De diametervermindering van PS-nanodeeltjes die worden blootgesteld aan verschillende bundelstromen (3, 5, 7, 9 en 10 mA) wordt besproken. Zoals weergegeven in figuur 4, neemt de diameter van nanodeeltjes af met toenemende bundelstroom. Bij de stroom van 10 mA wordt geen PS-deeltje waargenomen, maar het oppervlak van Si-wafel is niet glad. Veel kleine eilanden, waarvan de periodiciteit vergelijkbaar is met die van de PS-nanodeeltjesarrays, verspreiden zich over het oppervlak (figuur 4d). Er wordt gesuggereerd dat zowel Si-substraat als PS-deeltjes kunnen worden geëtst met Ar ⁺ ionenbundel zonder selectiviteit. In tegenstelling tot de oppervlakteruwheid van het monster bereid bij een stroom van 3 mA gedurende 11 min (Fig. 1f), is de ruwheid groter bij de stroom van 10 mA gedurende 5 min in Fig. 4d. Dit suggereert dat de schade aan het Si-substraat ernstig is bij een grotere bundelstroom.

SEM-beelden van PS-nanodeeltjes gedurende 5 min geëtst met de ionenspanning van 1 kV en de bundelstroom van 5 (a ), 7 (b ), 9 (c ), en 10 mA (d ), respectievelijk

De afhankelijkheid van de bundelstroom van de diameter van de nanodeeltjes wordt getoond in Fig. 5. Een niet-lineaire vermindering van de diameters van nanodeeltjes is aanwezig met de toename van de bundelstroom. Dit is vergelijkbaar met de evolutie van de diameter met het verhogen van het vermogen in het RIE- en PE-systeem [16,17,18,19,20,21,22]. De etssnelheid is ongeveer 18,9 nm/min bij een stroom van 9 mA.

Afhankelijkheid van de bundelstroom van de diameter van de geëtste nanodeeltjes

De kinetische energie van versnelde Ar ⁺ ionen wordt bepaald door de bundelspanning. Het effect van bundelspanning op de diametervermindering wordt ook onderzocht. De straalspanning werd respectievelijk ingesteld op 500, 700, 900, 1000 en 1100 V. Met de toename van de bundelspanning neemt de diameter van nanodeeltjes iets af. In Fig. 6 wordt een kleine afname van de gemiddelde diameter waargenomen bij toenemende straalspanning. Wanneer de spanning groter is dan 1 kV, blijft de etssnelheid stabiel.

De gemiddelde diameter van nanodeeltjes als functie van de straalspanning met de ionenstroom van 3 mA en de etstijd van 5 min

Op basis van de sjabloon met niet-dicht opeengepakte arrays van PS-nanodeeltjes bereid met behulp van IBE, werden geordende Si-nanopillar-arrays gefabriceerd door gebruik te maken van door metaal geassisteerd chemisch etsen. De morfologie van Si-nanopillar-arrays wordt getoond in Fig. 7. De gemiddelde diameter en hoogte van Si-nanopillar zijn respectievelijk ongeveer 54 nm en bijna 100 nm. Bovenop Si-nanopilaren bestaan ​​nog PS-deeltjes.

FESEM-afbeelding van Si-nanopillar-arrays