[发明专利]基于极紫外光的原子级材料可控去除方法

说明书

本发明提出了一种基于极紫外光超短脉冲的原子层去除加工新方法，能够有效避免机械加工带来的表面损伤，通过增加辐照面积以及极紫外光束与载物工作台的相对运动，可满足实际生产的高效率要求；同时，由于所有材料对极紫外光具有强吸收作用，且吸收过程集中在极表层，因此与现有激光加工技术相比，显著缩小了能量作用范围、提高了加工精度，并具有极强的材料普适性，满足原子级表面及结构的制造需求。

技术领域

本发明属于原子及近原子尺度制造领域，涉及极紫外光超短脉冲技术，尤其是一种基于极紫外光超短脉冲的原子级材料可控去除方法。

背景技术

量子芯片、光子芯片等信息领域下一代核心器件是各国未来科技竞争的焦点。由于此类下一代核心器件的表面及特征结构已达到原子量级，对能量场的尺寸变化非常敏感。原子级表面是未来核心器件的基本要素，它一方面具有原子及近原子级的粗糙度、形状误差等几何精度，同时要求材料晶格也处于低损伤甚至无损伤状态。这种逼近材料极限的表面质量已经是包括能源、新型材料、信息、及环境等各领域的迫切需求，成为决定元器件工作性能的关键因素。

高精度的保障依赖于制造技术的进步，早期以经验和技艺为基础的制造精度仅为毫米级，随着机械装备、自动化、超精密机床与光刻技术的相继问世，现阶段制造已经达到微米与纳米级可控精度。目前虽然存在可实现原子及近原子级表面的若干途径，但由于尚处于实验室阶段或局限于概念探索，无法作为成熟的制造方案。如扫描隧道显微镜(STM)能够对单个原子进行操纵，但极低的工作效率阻碍了其成为适合原子级表面批量生产的制造工艺；原子层刻蚀/沉积技术能够实现薄膜厚度的原子尺度增减，然而化学过程要求工件与反应气体具有较强的对应性，且难以获得单晶沉积层；对于机械方法，当刀具的切入深度控制在亚纳米至原子尺度时，理论上能够实现原子层量级的材料去除，然而受到装备定位精度、刀具刃口锋锐程度等诸多因素限制，目前只能做到纳米尺度可控。

理想的原子级表面制造技术应具有三个特点：(i)材料迁移量(增、减或转移)处于原子尺度，这也是原子级精度的必要保障；(ii)对基底表面的损伤范围应限制在原子尺度；(iii)效率与材料普适性满足实际生产需求。基于光与物质相互作用的加工方法具有同时满足上述特点的潜力，但目前激光加工技术仍处于纳米精度阶段。因此，如何降低光在物质中的能量沉积深度、减小晶格损伤，并实现原子尺度的可控材料迁移是亟待解决的关键问题，对制造技术从纳米精度向原子尺度的革命性转变具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于极紫外光(EUV)超短脉冲的原子级材料可控去除的表面及结构制造新方法，利用极紫外波段材料的强吸收与能量沉积的高度表面局域化独特性质，旨在对材料表面进行单个或几个原子层量级的去除加工，获得原子级低/无损伤高质量表面。

本发明解决技术问题的方案如下：

一种基于极紫外光的原子级材料可控去除方法，极紫外光辐照材料表面，对材料表面进行单个或两个以上原子层量级的去除加工。

所述的材料为晶体或非晶材料。

所述的晶体材料具有规则的原子排列，如硅、碳化硅、金刚石、金、铝等；所述的非晶材料具有不规则的原子排列，如玻璃、PMMA、非晶合金。

极紫外光子能量处于30-250eV范围内，其能量下限(对应41.3nm波长)覆盖了所有元素的第一电离能(3.89-24.58eV)、能量上限(对应4.96nm波长)则覆盖所有元素的第二电离能(10.74-81.01eV)，这说明单个EUV光子就可以破坏材料的化学键、实现去除加工，与传统意义上通过热效应的激光加工具有本质性差异。为了进行原子层量级的高精度去除，需要对EUV辐照条件进行严格控制。

所述的极紫外光波长为4.96-41.3nm，脉冲宽度小于10ns，辐照能量密度低于0.1J/cm²。

本方法的具体步骤如下：