《Applied Surface Science》：Patterning nanoscale silicon using ion beam implantation into a metal carrier thin film
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•剂量控制的聚焦离子束可在超薄薄膜中实现纳米级硅图案化。•将硅离子注入银后经退火处理可实现选择性金属蒸发。•极小的横向扩散在超薄硅制备过程中保持薄膜完整性。•稳定的硅—硅和硅—蓝宝石键合形成高质量图案化硅薄膜。引言硅是地球上第二丰富的元素，在当今半导体行业中占据主导地位，是二
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剂量控制的聚焦离子束可在超薄薄膜中实现纳米级硅图案化。
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将硅离子注入银后经退火处理可实现选择性金属蒸发。
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极小的横向扩散在超薄硅制备过程中保持薄膜完整性。
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稳定的硅—硅和硅—蓝宝石键合形成高质量图案化硅薄膜。
引言
硅是地球上第二丰富的元素，在当今半导体行业中占据主导地位，是二极管、晶体管和集成电路等设备不可或缺的组成部分[1], [2], [3], [4]。鉴于半导体行业器件尺寸不断缩小的趋势，越来越需要关注硅薄膜[1], [2], [3], [4], [5]。当硅薄膜减薄至原子级厚度，通常达到单原子层或少量原子层的水平时，会展现出量子自旋霍尔效应（QSHE）、量子反常霍尔效应（QAHE）以及拓扑特性等量子特性[6], [7]。这种形态的硅最初通过电子束蒸发技术在Ag(1 1 1)基底上合成[8]。在费米能级处，硅的能带结构具有狄拉克锥特征，使其被归类为半金属，从而与块体硅区分开来[6], [7]。
目前已利用分子束外延（MBE）、化学插层和电子束蒸发等技术成功地在多种基底上合成硅薄膜。除上述方法外，还可通过离子注入、化学剥离、表面刻蚀、声处理和离心等方法制备硅薄膜，这些是合成硅薄膜的有效替代方案[9], [10]。在硅薄膜的制备方法中，离子注入是一种极具前景且精确的技术。其主要优势在于能够控制硅离子束的能量和通量密度，使其特别适用于半导体制造[11]。此外，离子注入克服了其他化学方法中常见的动力学和热力学局限性[11]。该技术可通过调节过程中的注入参数来精确控制离子在基底中的尺寸、位置和深度分布[12]。
尽管此前的研究者做出了重要贡献，但在实现高质量超薄薄膜方面仍存在若干挑战，包括解决氧化、表面污染、与基底强键合、涨落和聚集等问题[13], [14], [15], [16], [17]。此外，基底在注入过程中可能受到晶格沟道效应的影响[18], [19], [20], [21]。该技术还可能引入基底中的间隙和替代缺陷，并导致表面溅射，从而产生不理想的特性和其他缺陷[18], [19], [20], [21]。
除薄膜合成外，离子束注入还已成为一种用于直接纳米级图案化的强大工具。尤其是聚焦离子束（FIB）技术，可通过离子辐照局部改变材料性质，从而对固体表面进行可控且精确的纳米图案化，而无需涂覆抗刻胶、对版或电子束或光刻通常所需的后生长刻蚀步骤[22], [23]。对硅表面的系统研究表明，改变离子能量、入射角和通量可产生定义明确的纳米级波纹和台地形貌，表明所得表面结构对注入参数具有敏感性[24]。然而，此类基于注入的图案化方法仍受限于近表面区域离子诱导的损伤和残留注入物，这会影响图案化区域的结构和电子质量[25]。这些研究共同凸显了利用离子束注入对硅基结构进行直接纳米级图案化的潜力与面临的未解决挑战。与聚焦束方法相辅相成，宽束（非聚焦）离子束溅射也被广泛用于在半导体以外的固体表面（包括金属）上诱导自组织纳米图案化。在斜入射离子辐照下，Ag、Cu和Pt等金属表面会发展出波纹、丘状或点状形貌，其波长和取向由离子能量、入射角和表面扩散动力学决定[26], [27]。上述关于金属表面的宽离子束研究以及上文讨论的关于半导体的FIB研究，表明离子束诱导的纳米图案化是适用于各类固体表面的普遍现象，这促使将其作为本文所提出的无掩模、基于注入的图案化方法的补充工具。
与通常需要抗刻胶掩模、多步工艺或后生长刻蚀的传统光刻和整体沉积图案化方法相比，本文展示的方法利用牺牲金属载膜实现了对含硅区域的直接、无掩模、剂量控制的图案化，为需要精确空间控制超薄硅基结构的应用提供了一种潜在更简单且可扩展的替代方案。本文提出了一种利用聚焦离子束沉积硅离子的方法，扩展了传统的薄膜沉积技术。金属沉积和离子注入技术已得到充分验证，拥有数十年的经验积累和成熟的质量控制体系。然而，硅的直接注入仍是一个相对较新的领域，利用图案化硅离子束创造精细结构的研究尚不充分。本文所述方法提供了对沉积形状的精确控制，可直接制备具有复杂结构的硅薄膜。
章节摘录
实验步骤
将厚度为100 nm的银薄膜通过溅射沉积到单晶蓝宝石基底（AdValue Technology，c轴，单面抛光）上，使用Torr International公司的高真空沉积设备，在约5 × 10?6托的室底压下于室温下操作（应注意未使用粘附层）。完成银沉积后，直接注入硅离子（采用配备共晶Au-Si源的Raith IonLine FIB设备）
结果与讨论
图2a展示了注入后蓝宝石基底图案化表面的扫描电镜图像，图案化窗口的特征清晰可见。方块以特定剂量阵列注入，对应从1/10单分子层到完整单层硅。方块包围的区域对应已注入硅的区域，而方块外部区域则未注入硅。
如图2b所示，SRIM模拟表明
局限性与未来展望
尽管现有结果表明成功实现了对含硅结构的空间图案化，但仍有若干方面值得进一步研究。特别是，近表面氧化区域阻碍了对表面下硅键合构型的直接确认。此外，虽然所提出的形成机制与蒸气压考虑和先前文献一致，但其来自注入诱导缺陷、银蒸发和硅扩散的各自贡献尚未
结论
我们提出了一种利用图案化硅离子直接沉积硅薄膜的方法，其中将现有银层先注入金属离子和硅，然后选择性蒸发银。材料选择基于其蒸发温度，因为银的蒸发温度低于硅。因此，退火后银层蒸发，使硅原子留在基底表面（蓝宝石）上形成薄膜层。值得注意的是，离子注入
CRediT作者贡献声明
Bita Pourbahari: 撰写–审阅与编辑、撰写–初稿、概念化。Longxing Chi: 撰写–审阅与编辑、方法论、形式化分析、概念化。Michael Osofsky: 撰写–审阅与编辑、方法论、概念化。Nabil Bassim: 撰写–审阅与编辑、监督、项目管理、概念化。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC）对本工作的资金支持。他们还感谢加拿大电子显微镜中心（CCEM）和海军研究实验室，特别是Glenn Jernigan和Todd Brintlinger，提供了宝贵的技术支持。
Bita Pourbahari|Longxing Chi|Michael Osofsky|Nabil Bassim
