이온 빔 에칭에 의한 비밀폐 콜로이드 나노입자 어레이의 제어 가능한 제작

결과 및 토론

이온빔 처리를 하지 않은 자기조립 PS 나노스피어 필름의 표면 형태는 그림 1a에 나와 있습니다. PS 나노스피어의 육각형 밀집 배열이 명확하게 존재합니다. 어레이에 적층된 일부 결함, 나노구도 동시에 관찰됩니다. 일반적으로 직경이 100nm인 나노스피어의 완벽한 단일층을 얻는 것은 어렵습니다. 직경이 200nm에서 수 마이크로미터인 PS 구는 Si 웨이퍼에서 고도로 정렬된 어레이 구조로 쉽게 조립할 수 있습니다[1]. 실험에서 직경 100nm의 나노구체를 선택한 이유는 식각 속도를 ICPE로 얻은 것과 비교하기 위함입니다[22, 23]. PS 입자의 직경이 작을수록 동일한 조건에서 에칭 속도가 높아진다는 것은 잘 알려져 있습니다[20]. 또한, 직경이 100nm 미만인 정렬된 나노구조의 잠재적인 응용이 매력적입니다.

0에 대한 에칭 후 PS 나노입자의 SEM 이미지(a ), 5(b ), 7(c ), 9(d ), 10(e ), 11분(f )

노출 시간에 따른 나노입자 직경의 변화를 알아보기 위해 빔 전류 3mA와 전압 1kV를 선택하였고, 시간은 각각 5, 7, 9, 10, 11분으로 설정하였다. Fig. 1에서 보는 바와 같이 식각시간이 증가함에 따라 PS 나노입자의 직경은 점차 작아지고 입자 사이의 공간은 넓어진다. 에칭 시간이 5분, 7분 및 9분인 샘플의 경우 나노입자 직경의 범위는 각각 약 88 ± 9, 75 ± 8 및 54 ± 8 nm입니다. 10분간의 식각 후 PS 나노입자의 크기 균일성이 저하되고 나노입자의 직경은 약 34 ± 10 nm이다. 11분 동안 이온빔에 노출된 후, 소수의 나노입자만이 Si 웨이퍼 표면에 분포합니다. 이러한 잔여 나노 입자는 결함의 에칭 제품에서 올 수 있습니다.

그림 2는 나노 입자의 횡단 직경과 에칭 시간의 관계를 보여줍니다. 에칭 시간이 증가함에 따라 횡단 직경의 비선형 감소가 관찰됩니다. 이러한 경향은 등방성 식각 기술의 주요 특징 중 하나로 RIE와 PE가 준비한 이전 연구와 유사하다[16,17,18,19,20]. 또한, 이방성 에칭 기술의 또 다른 특성은 그림 3에서도 볼 수 있습니다. 에칭하지 않은 입자의 단면 형태와 이온 빔에 5분 동안 노출된 후의 입자의 단면 형태를 비교하면 PS 입자가 구형에서 비구형 형태가 분명히 관찰됩니다. Ar ⁺ 이후 이온 빔은 물리적 스퍼터링이 우선적으로 발생하는 수직 입사 조건에서 PS 입자의 상단 표면을 공격합니다. Ar 플라즈마의 충돌로 인한 PS 입자의 측면 에칭은 샘플로부터의 이온 생성 및 가속의 분리로 인해 발생하지 않을 수 있습니다. 입자의 길이 방향의 에칭 속도는 횡단 방향의 에칭 속도보다 높다. 두 방향의 식각 속도의 차이는 PS 나노 입자의 이방성 식각을 유도합니다. 결과적으로, 비구형 입자의 길이방향 직경은 횡단 직경보다 작습니다. 비구형 입자의 단면 모양은 타원처럼 보이지만 비구형 입자의 표면 형태는 여전히 원형입니다. 또한 Tan은 길이 방향을 따라 PS 입자의 에칭이 RIE 기술에 대한 에칭 시간이 증가함에 따라 균일하다는 것을 입증했습니다[17]. 따라서 에칭 속도는 일반적으로 단위 시간당 길이 방향 직경의 감소로 정의됩니다[17, 20]. 입자의 형태 변화를 기반으로 길이 방향에 따른 에칭 속도는 다음과 같이 계산할 수 있습니다[20].

여기서 D PS 입자의 횡단 직경, R ₀ 초기 PS 나노구체의 반경, k 는 길이 방향을 따른 에칭 속도이고, t 에칭 시간이다. 식에 따르면 도 1에 도시된 바와 같이 노출 시간 5분, 9분, 10분에서의 식각 속도는 실험에서 각각 약 9.2, 9.3, 9.4nm/분으로 계산되었습니다. 이 값은 RIE[17, 21] 및 PE[20]에서 얻은 값보다 작지만 ICPE[22, 23]에서 얻은 값에 가깝습니다. IBE 기술은 느린 에칭 속도로 인해 PS 나노 입자의 에칭 프로세스를 더 잘 제어할 수 있는 더 큰 잠재력이 있다고 제안됩니다.

이온빔 처리 후 횡단 직경 감소의 시간 의존성. 점선은 실험 데이터이고, 빨간색 점선은 식에 따라 계산된 결과입니다. 1 k 설정 9.2nm/min으로 값

직경이 200nm인 PS 나노입자의 단면 FESEM 이미지(a ) 및 5분 동안 에칭 후(b ). 나노입자의 형태전이를 명확하게 반영하기 위해 직경 200nm의 나노구체를 사용하였다. 초기 직경이 다른 나노스피어의 모양 전이는 이온빔에 노출된 후 동일합니다.

또한, 에칭 속도는 시간이 증가함에 따라 불균일하다는 것도 알 수 있습니다. Fig. 2에서 나노입자의 횡단직경이 초기값의 절반 이하로 더욱 감소함에 따라 실험점은 수학식 1에 따라 계산된 이론값 이하로 떨어지는 것을 볼 수 있다. 1 k 설정 값은 9.2nm/min입니다. 이는 에칭 시간이 길수록 에칭 속도가 증가함을 나타냅니다. 진화는 주로 산소 플라즈마와 폴리스티렌(예:RIE 및 ICPE) 사이의 화학 반응에 의존하는 결과와 다릅니다[16,17,18, 22, 23]. Cao et al.에서도 비슷한 경향이 보고되었습니다. [20] 최근 PE 기술을 사용합니다. 그들은 더 긴 노출 시간에서 더 높은 에칭 속도가 측면 에칭의 발생에 기인한다고 제안했습니다. 그러나 플라즈마 충격으로 인한 PS 입자의 측면 에칭은 IBE 시스템에서 발생하지 않을 수 있습니다. 가속 이온의 물리적 충격 동안 점진적으로 축적된 열 에너지가 더 긴 노출 시간에서 에칭 속도에 상당한 영향을 미칠 수 있다고 가정합니다. PS 입자의 에칭 속도 증가는 Plettl et al.에 의해 입증되었습니다. [22] 75°C에서 어닐링 후. 가속된 이온의 운동 에너지의 일부는 이온빔 처리 후 시료의 열에너지로 변환된다는 것은 잘 알려져 있습니다. Okuyama와 Fujimoto[27]는 타겟이 Ar ⁺ 후에 최대 2000°C까지 가열될 수 있음을 보여주었습니다. 대상의 열전도율이 좋지 않은 경우 이온 폭격. 실제로 대부분의 열 에너지는 수냉식 대상에서 제거될 수 있습니다. 그러나 이온빔을 장기간 처리한 후에도 물 또는 가스 냉각을 통해 대상에 놓인 샘플의 온도는 여전히 70~150°C 범위로 유지됩니다[28, 29]. 기판 온도가 135°C보다 높으면 PS 나노구가 녹아서 서로 접착될 수 있습니다[30]. 이 현상은 샘플에서 관찰되지 않으며, 이는 이온 빔 충격 과정에서 온도가 135°C를 초과하지 않음을 나타냅니다. 따라서, 더 긴 노출 시간에서 에칭 속도의 증가는 이온 충격의 열 효과에 기인할 수 있습니다. 이 때 PS 나노입자의 식각은 물리적인 스퍼터링과 열적 효과에 의해 결정된다.

우리가 아는 한, Si 웨이퍼에 부착된 PS 입자의 육각형 비밀착 어레이는 시장에서 구입할 수 없습니다. 한 가지 가능한 이유는 RIE 및/또는 ICPE를 사용하여 제작된 어레이가 Si 웨이퍼에서 쉽게 분리되기 때문입니다. ICPE로 제작한 non-closed-packed array의 견뢰도와 IBE로 제작한 array의 견뢰도를 비교하기 위해 ICPE와 IBE 시스템에서 비슷한 나노입자 직경과 주기성을 가진 두 개의 샘플을 각각 제작하였다. 2.5% HF 용액에 3분 동안 담근 후 탈이온수로 헹구면 ICPE로 제조된 시료의 나노 입자가 사라지고 IBE로 제조한 시료의 나노 입자는 주기성을 변경하지 않고 Si 웨이퍼 표면에 계속 부착됩니다. . IBE에 의해 제조된 PS 나노입자의 견뢰도는 이온빔 충격의 열 효과로 인해 더 우수함을 나타낸다. 추가 적용을 위해 2시간 동안 디클로로메탄 용액에 담가 나노입자를 제거할 수 있습니다. 이러한 결과는 IBE를 사용하여 제조된 PS 입자의 밀집되지 않은 배열이 나노구 리소그래피의 상업적 응용을 촉진할 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있음을 시사합니다. 그리고 비밀착형 어레이는 향후 시장에서 제공될 수 있습니다.

빔 전류는 또한 IBE에서 에칭 속도를 조절하는 중요한 요소입니다. 다양한 빔 전류(3, 5, 7, 9, 10mA)에 노출된 PS 나노입자의 직경 감소에 대해 설명합니다. 그림 4와 같이 나노입자의 직경은 빔전류가 증가함에 따라 감소한다. 10mA의 전류에서 PS 입자는 관찰되지 않지만 Si 웨이퍼의 표면은 매끄럽지 않습니다. PS 나노 입자 어레이의 주기와 유사한 많은 작은 섬이 표면에 분포합니다(그림 4d). Ar ⁺ 으로 Si 기판과 PS 입자를 모두 에칭할 수 있다고 제안합니다. 선택성이 없는 이온빔. 11분 동안 3mA의 전류에서 준비된 샘플의 표면 거칠기와 대조적으로(그림 1f), 그림 4d에서 5분 동안 10mA의 전류에서 거칠기가 더 큽니다. 이는 더 큰 빔 전류에서 Si 기판의 손상이 심각함을 시사합니다.

이온 전압 1kV 및 빔 전류 5(a)로 5분 동안 에칭된 PS 나노입자의 SEM 이미지 ), 7(b ), 9(c ) 및 10mA(d ), 각각

나노 입자 직경에 대한 빔 전류 의존성은 그림 5에 나와 있습니다. 나노 입자 직경의 비선형 감소는 빔 전류의 증가와 함께 나타납니다. 이는 RIE 및 PE 시스템에서 전력이 증가함에 따라 직경이 진화하는 것과 유사합니다[16,17,18,19,20,21,22]. 에칭 속도는 9mA의 전류에서 약 18.9nm/min입니다.

에칭된 나노입자 직경에 대한 빔 전류 의존성

가속된 Ar ⁺ 의 운동 에너지 이온은 빔 전압에 의해 결정됩니다. 직경 감소에 대한 빔 전압의 영향도 조사됩니다. 빔 전압은 각각 500, 700, 900, 1000, 1100V로 설정되었습니다. 빔 전압이 증가함에 따라 나노 입자의 직경이 약간 감소합니다. 그림 6에서 빔 전압이 증가함에 따라 평균 직경이 약간 감소하는 것이 관찰되었습니다. 전압이 1kV보다 크면 에칭 속도가 안정적으로 유지됩니다.

이온 전류가 3mA이고 에칭 시간이 5분인 빔 전압의 함수로서 나노입자의 평균 직경

IBE를 사용하여 준비된 PS 나노입자의 밀집되지 않은 배열이 있는 템플릿을 기반으로 금속 보조 화학 에칭을 사용하여 정렬된 Si 나노기둥 배열을 제작했습니다. Si 나노기둥 어레이의 형태는 그림 7에 나와 있습니다. Si 나노기둥의 평균 직경과 높이는 각각 약 54nm 및 거의 100nm입니다. Si 나노기둥 위에 PS 입자가 여전히 존재합니다.

Si 나노기둥 어레이의 FESEM 이미지