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聚焦离子束（Focused Ion Beam, FIB）刻蚀技术可以用于制造砷化镓基的三维微结构，这些微结构被广泛应用在光子晶体、微机电系统（MEMS）和纳米机电系统（NEMS）。但在离子束刻蚀砷化镓时，会在表面产生难以去除的大小不一、散乱分布的镓液滴，镓液滴的存在导致微结构表面粗糙度增加，严重影响到器件的使用性能。目前，镓液滴产生机理仍不清晰，只能采用二氟化氙（XeF2）气体辅助刻蚀以及使用轻离子源（Ne/He）刻蚀来抑制镓液滴的产生，但上述方法存在表面引入F杂质以及加工效率低下等问题。因此，需要明确镓液滴产生机理，为获取光滑表面的高效加工方式提供理论基础。 近日，大连理工大学机械工程学院孙吉宁教授与张磊副教授团队采用分子动力学模拟方法研究了离子注入刻蚀砷化镓过程，揭示了As原子的大量析出发生在900K左右，As原子析出导致Ga原子数量富足，多余的Ga原子以更低势能聚集As析出通道内壁上。结合透射电镜实验，对镓液滴亚表面进行了晶体相表征与元素成分分析，验证了仿真过程的可靠性。另外，研究了不同外界温度对于As原子析出的影响，相比于常温离子注入，采用低温（80K）离子注入可以减小33.3%的原子析出通道直径以及降低28.3%的As原子成键数量，最终降低了98%的As原子析出数量。最后，通过冷冻双束电镜（Cryo-FIB）对低温离子注入仿真结果进行了实验验证，表明低温辅助离子注入刻蚀可以获得光滑表面。并且，低温辅助策略也在其它III-V半导体材料（InP和InAs）的刻蚀加工中得到了验证。该研究方法和结果有望为FIB刻蚀化合物半导体材料获得光滑表面提供一种新的思路，助力于纳米光电子与微电子器件的高性能制造。 该项成果以“Cryo-FIB machining of group III-V semiconductors suppresses surface nanodroplets”为题发表在《CIRP Annals - Manufacturing Technology》期刊上。大连理工大学孙吉宁教授为第一作者，博士研究生张一为本论文学生第一作者，通讯作者为大连理工大学张磊副教授。该研究工作得到了国家自然青年科学基金以及大连理工大学科研启动基金的资助。 论文链接： https:///10.1016/j.cirp.2024.04.022
图1 离子注入模型。
图2镓液滴TEM制样与表征。
图3微观结构演化。
图4As原子热运动与析出形式。
图5
Ga原子聚集过程。
图6不同温度对As原子析出数量影响。
图7 常温与低温离子注入对比。
图8 砷化镓与其它III-V族半导体材料常温与低温辅助离子注入刻蚀效果对比 先进表面制造团队（ASM Lab）围绕重大装备核心零部件的表面功能化与界面力学调控等主要科学问题，利用超精密加工、聚焦离子束加工、飞秒激光加工、化学接枝改性、离子注入改性、噬箘体展示等技术手段，在原子及近原子尺度对材料表面的物理结构与化学组分进行按需调控，从而赋予装备表面拒液性、防覆冰、耐磨损、耐腐蚀、抗生物附着、光电磁通导等先进物理化学特性。依托已有平台，课题组已获得多项标志性研究成果，其中包含微织构减阻表面制造技术、拒液耐污表面制造技术、高导电碳毡电极加工制造技术、特异性分子检测光纤制造技术等，以上成果有望应用于机械减摩、油气运输、液流储能、风力发电、分子诊断等先进技术领域。 来源：材料科学与工程，感谢论文作者团队的大力支持。 |
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