倾斜氩团簇离子束轰击下单组分半导体纳米图案化的比较研究

本文推荐：该研究通过倾斜氩团簇离子束（GCIB）轰击，系统比较了Ge和Si半导体表面纳米波纹（nanoripples）的形成机制。揭示了从初始阶段到成熟图案的动态演化规律，结合分子动力学（MD）模拟与实验数据，证实纳米结构能保留材料原始晶体特性，为非接触式半导体表面改性提供了新思路。

　　

Highlight

倾斜氩团簇离子束（GCIB）轰击是一种无需化学污染的半导体表面纳米图案化高效方法。本研究首次明确了Ge和Si表面纳米波纹形成的阶段性特征，其波长、粗糙度等参数在相同条件下高度相似。

Materials and cluster processing

实验采用商用Si(100)和Ge(100)晶圆，初始均方根粗糙度（RMS）为0.3 nm。通过定制CLIUS设备，使用高纯氩（99.999%）在室温下生成团簇离子束，能量范围5–30 keV，入射角30°–70°。

AFM results

原子力显微镜（AFM）图像显示（图1–2），Ge和Si表面形成的纳米波纹具有相似的空间频率分布。快速傅里叶变换（FFT）分析表明，波纹波长随离子注量（fluence）增加而增大，最终稳定在70–90 nm范围。

Discussion

与低能原子离子（⁺）相比，GCIB可在更低注量（10¹⁶–10¹⁷ ions/cm²）下触发图案化。分子动力学模拟揭示，团簇离子撞击引发的非晶层（amorphized layer）分布不均匀，波纹峰区非晶化程度高于谷区。

Conclusion

Ge和Si的纳米波纹均能保留基底晶体结构，但非晶层分布差异显著。该研究为半导体表面可控纳米加工提供了重要参数，特别是最小触发注量的确定对工艺优化具有指导意义。