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#团簇离子束抛光 #GCIB抛光 #金刚石抛光 #碳化硅抛光 

作者：Noriaki Toyoda†

单位：Graduate School of Engineering, University of Hyogo2167 Shosha, Himeji, Hyogo 671-2280, Japan

在本研究中，报道了气团离子束（GCIB）的基本溅射效应，特别是用于表面平整化的效果。由于气团离子是由成千上万的气体原子聚集而成，因此GCIB的碰撞过程具有密集且多重碰撞的特点，这与原子离子通过碰撞级联的过程不同；因此，GCIB具有许多独特的辐照效应。其中，低损伤和表面平整效果有利于宽禁带半导体晶圆的平整化。通过GCIB辐照，已经展示了SiC、金刚石和GaN的平整化效果。

关键词：气团离子束，表面平整化，宽禁带半导体，低损伤

室温低损伤@GCIB抛光代工@束斑小（4-5mm）更均匀

#降低硬质材料化合物晶圆等绝大多数材料的表面粗糙度，比如金刚石 ，磷化铟，砷化镓，碳化硅

#提高复合衬底和镀膜膜层的器件层膜厚均匀性，

比如SOI LNOI  LTOI SICOI 等 SMARTCUT得到的薄膜 

或者镀膜所得到的膜层 ，比如镀了一层氮化硅，但是由于是cvd镀膜所得到的，表面的膜厚精度很差，粗糙度很差，可以通过粗糙度初步降低粗糙度，然后通过GCIB团簇离子束抛光来修整整面的膜厚均匀性 到0.5%以下举例：

未经过Trimming 工艺的 6寸LNOI晶圆 数据：

Range:100-200A

经过Trimming 工艺的 6寸LNOI晶圆 数据：

Range:60A以内

1. 引言

光学器件、发光二极管（LED）和功率集成电路（IC）的快速研究进展和高需求导致了对宽禁带半导体晶圆的需求增加。然而，与硅晶圆相比，宽禁带半导体晶圆的精密加工仍然面临许多问题。某些宽禁带材料非常硬，而其他材料则非常脆弱。因此，宽禁带半导体晶圆通常难以抛光。此外，晶圆中的亚表面损伤或缺陷会影响性能，即使晶圆表面看起来完全平整。为了解决这些问题，开发了气团离子束（GCIB）工艺[1]。气团是由少数到几万的气相原子聚集而成。GCIB在电离后可加速到所需的能量。由于气团中电荷数远小于原子数，GCIB可以以比单体离子束更大的离子电流运输更多的原子。GCIB还具有低能量辐照的特点。每个原子的动能等于气团总能量除以气团大小（气团中的原子数）。尽管由于空间电荷效应，获得10 eV的单体离子束是困难的，但GCIB可以实现等效的高电流和低能量离子束。

每个原子低能量和密集的局部能量沉积是GCIB辐照的两个重要特性。一个包含几千个原子的气团直径只有几纳米，因此，成千上万的原子穿透一个局部区域，导致靶材与气团原子之间发生多次近表面碰撞。这种密集的能量沉积导致了溅射产量的提高、坑洞形成和冲击波的产生。横向溅射效应是GCIB的另一个重要特征。当GCIB轰击固体表面时，许多原子会水平溅射，称为“横向溅射”现象[2]。这种横向溅射可以产生表面平整化效果。图1总结了GCIB的基本辐照效应。

图1. GCIB的基本辐照效应。

在本研究中，采用GCIB溅射进行宽禁带半导体的表面平整化。GCIB溅射可以实现极低损伤的辐照和表面平整化，有利于宽禁带半导体的平整化。文中解释了溅射的设备和基本效应，以及它们在宽禁带半导体表面平整化中的应用。

2. GCIB设备

图2. GCIB系统的示意图。

图2显示了GCIB系统的示意图[3]。中性气团束通过高压气体（约10大气压）通过小孔喷嘴扩展到真空室中。在超音速膨胀过程中，气体原子相互碰撞，它们的随机速度转变为单向运动。因此，相对速度差异被减小，单个原子通过范德华力结合成气团。操作时源室的真空压力保持在1.0 Pa以下。

对于表面平整化，通常使用氩气气团，但也可以通过相同的系统形成O2、CO2、N2、NH3和SF6气团束。这些反应性气体可用于低损伤的反应刻蚀或气团辅助的氧化物或氮化物薄膜沉积。

在形成中性气团束后，束流通过1毫米直径的准直。然后，中性气团在电离室中通过电子轰击被电离。用于电离的典型电子能量为150 eV。电离后的气团被加速到达到30 keV的能量。在加速电极的下游，放置一个永磁体（约0.4T的磁场）用于去除单体离子。

通过磁性滤波器后，放置了一个中和丝，以防止晶圆充电并最小化空间电荷效应引起的束流扩展。然后，GCIB轰击放置在机械扫描仪上的晶圆。通过水平和垂直移动扫描仪，可以实现晶圆的均匀GCIB辐照。典型的GCIB直径为30 mm，在加速电压为30 kV时。气团离子电流为30 kV时为200 µA。通过飞行时间（TOF）质谱仪测量的平均氩气气团大小约为1000到3000个原子。

GCIB的溅射效应
3.1. GCIB溅射过程
GCIB离子的溅射效应与单体离子的溅射效应完全不同，因为两种方法中的能量沉积过程不同。基本上，单体离子的碰撞可以通过线性级联碰撞模型来描述[4]。然而，气团离子冲击会引发多次近表面碰撞。通过分子动力学（MD）模拟[5]，模拟了氩气气团与硅靶材碰撞时的能量和动量分布。当气团与靶材碰撞时，受影响区域经历高温和高压条件；因此，许多表面原子被气团离子撞击溅射出去。此外，当气团离子轰击靶材时，许多具有大横向动量的原子会出现在撞击坑的边缘。这些原子随后被弹射到真空中。这些溅射出的粒子呈现出下余弦分布，平行于靶面溅射的溅射原子被称为“横向溅射”。

图 3. 20 kV 下 Ar 离子溅射原子的角度分布与 Ar-GCIB 的对比。

横向溅射效应已通过实验得到确认。图3显示了20 keV氩离子和20 keV氩气气团离子在法向轰击下溅射出的铜原子的角度分布[6]。在20 keV氩离子轰击下，角度分布形成一个圆形，表明从表面等方位地喷射溅射出的原子。相比之下，20 keV氩气气团离子的溅射原子的角度分布呈下余弦型。已报告与非常重的离子或分子离子的密集级联（尖峰）碰撞可以增强溅射产率，促进坑洞的形成，并显示出其他非线性效应[7]。通过MD模拟，表面瞬时温度预计升高到105 K，而压力在气团撞击时增加到几个GPa[8]。因此，单体离子束与气团离子束的溅射机制预计会有所不同。

3.2. 使用GCIB进行表面平整化

为了研究单体离子束与气团离子束在表面平整化效应上的差异，使用原子力显微镜（AFM）观察了铜靶材的表面形貌[9]。图4（a）-（c）分别显示了未经辐照和分别使用20 keV氩单体离子束和氩2000气团离子束辐照后的铜表面AFM图像。AFM（Nanoscope III，Veeco）图像是在使用硅悬臂（OMCL-AC160TS，Olympus，尖端曲率：7 nm，弹簧常数：42 N/m）进行 tapping 模式下获得的。AFM扫描区域为1 × 1 µm。初始铜表面（图4（a））有许多宽度为400 nm，高度为15 nm的晶粒；平均粗糙度Ra为6.0 nm。经过氩单体离子轰击（图4（b））后，表面仍残留许多晶粒，并观察到由于高能离子轰击所造成的小丘状物。这种表面粗糙度Ra为4.9 nm，表明20 keV氩离子轰击下表面略有改善。
当铜靶材被20 keV氩2000离子辐照（图4（c））时，Ra降至1.3 nm，接近初始值的五分之一。使用单体离子溅射时，溅射产率的各向异性被报告与晶面或晶界的存在有关。从图4（c）可以看出，表面上没有观察到晶粒，且溅射产率与晶界或晶面之间几乎没有依赖关系。

图5. 20 keV氩气GCIB辐照下CVD金刚石薄膜Ra与离子剂量的关系。

图5显示了被20 keV氩2000离子在法向轰击下溅射的多晶化学气相沉积（CVD）金刚石靶材的Ra与离子剂量的关系[10]。离子剂量范围从1 × 10¹⁶到1 × 10¹⁷ cm⁻²。Ra随着离子剂量的增加单调下降，从初始值26 nm降至2 nm。在增加离子剂量时，氩气气团离子辐照未观察到表面粗糙化。

为了研究通过GCIB辐照对图案的平整化效果，进行了横截面透射电子显微镜（TEM）观察[11]。我们准备了宽度为50 nm，间距为100 nm的镍图案，并通过溅射沉积了CoPt薄膜。

图6. 氩气GCIB辐照下图案结构的离子剂量依赖性（加速电压：20 kV，离子剂量：1 × 10¹⁵，1 × 10¹⁶ cm⁻²，图案宽度50 nm，间距100 nm）。

图6显示了图案样品的横截面TEM图像。对于原始样品，可以清楚地看到宽度为50 nm的镍图案和沉积的CoPt薄膜。经过20 keV氩气气团离子束在1 × 10¹⁵ cm⁻²法向轰击后，镍图案凸起处的CoPt薄膜被移动到图案的凹陷处。随着离子剂量增加到1 × 10¹⁶ cm⁻²，CoPt表面变得完全平整。然而，在CoPt薄膜下方的镍图案没有观察到变化。这清楚地表明，GCIB辐照仅修改了表面层。

3.3. 低损伤溅射
由于气团离子每个原子的能量可以降低到几个电子伏特，因此预期会出现低损伤溅射。通过MD模拟，预计在氩气GCIB辐照下，原子能量小于1 eV时不会造成损伤[12]。作为例子，晶体InP基底被氩离子或氩气团离子辐照。

图 7. 用 3 keV Ar+ 或 10 keV Ar-GCIB 辐照的晶体 InP 衬底的 AFM 和 SEM 图像。

图7展示了InP的SEM和AFM图像。原始的InP表面粗糙度Ra为0.27 nm。经过3 keV氩离子轰击后，观察到许多岛状结构。磷（P）原子优先被溅射，形成富铟（In）的岛屿。对氩离子轰击后的InP基底进行的X射线光电子能谱（XPS）测量确认了磷原子的损失。然而，当InP基底在加速电压为10 kV、离子剂量为5×10¹⁵ cm⁻²的条件下使用氩气GCIB辐照时，表面粗糙度没有增加。XPS测量也显示，在氩气GCIB辐照后，成分未发生变化。这些结果表明，可以实现各种材料的低损伤溅射。近年来，GCIB的低能量效应已广泛应用于聚合物的深度剖析，例如在XPS分析和二次离子质谱（SIMS）分析中。

4. 宽禁带半导体的表面平整化

GCIB进行的表面平整化适用于宽禁带半导体。

图 8. 用 3 keV Ar+ 或 10 keV Ar-GCIB 辐照的晶体 InP 衬底的 AFM 和 SEM 图像。

图8展示了掺铒（Er）的GaN薄膜在氩气GCIB辐照前后的图像。加速电压为20 kV，离子剂量为1×10¹⁶ cm⁻²。原始GaN:Er薄膜的Ra为3.96 nm；然而，经过氩气GCIB辐照后，Ra降至1.44 nm。使用N₂-GCIB也可以改善SiC的粗糙度。图9展示了4H-SiC表面的AFM图像。原始SiC表面可见许多划痕。当SiC被氩气GCIB（20 keV，5 × 10¹⁷ cm⁻²）辐照时，表面粗糙度从2.53 nm降至1.67 nm。然而，SiC表面仍然有许多微小的粗糙度，可能是由于形成了较大的坑洞。为了去除这些粗糙度，进行了低能量的N₂-GCIB辐照。图9（c）显示了SiC在氩气GCIB辐照（20 keV，5×10¹⁷ cm⁻²）和随后的N₂-GCIB辐照（10 keV，5×10¹⁵ cm⁻²）后的AFM图像。

图9. AFM图像：（a）原始4H-SiC表面，（b）经过氩气GCIB辐照（20 keV，5×10¹⁷ cm⁻²），（c）氩气GCIB和随后的氮气GCIB辐照（10 keV，5 × 10¹⁵ cm⁻²）。

图9（b）中显示的表面凸起在N₂-GCIB处理后消失了。可以这样解释：N₂分子的键合能很高，因此GCIB的加速能量被用于打破N-N键。因此，沉积到SiC表面的能量减少，相比于氩气GCIB辐照，允许对SiC表面进行更温和的辐照。

GCIB工艺是由我们的团队发明的，我们已经开发了多种应用，如特定位置的辐照[13]、薄膜沉积和表面分析。由于GCIB是一种束流工艺，并且能够在干燥条件下实现表面平整化，因此该工艺具有优异的重复性。通过将GCIB与传统的化学机械平整化（CMP）加工相结合，可以实现原子级平坦的表面平整化。

5. 总结

本研究解释了GCIB的基本溅射效应及其在宽禁带半导体中的应用。GCIB的密集和多重碰撞特性与原子离子的级联碰撞完全不同，因此在GCIB处理过程中观察到许多独特的辐照效应。在这些效应中，最小的损伤和表面平整化能力有助于宽禁带半导体晶圆的平整化。