Fabrikasi Terkendali dari Array Nanopartikel Koloid Non-Close-Packed oleh Ion Beam Etching

Hasil dan Diskusi

Morfologi permukaan film nanosphere PS rakitan sendiri tanpa perlakuan berkas ion ditunjukkan pada Gambar 1a. Susunan heksagonal padat nanosfer PS jelas ada. Beberapa cacat, nanospheres ditumpuk pada array, juga diamati secara bersamaan. Umumnya sulit untuk mendapatkan lapisan tunggal sempurna dari nanosfer dengan diameter 100 nm. Bola PS dengan diameter mulai dari 200 nm hingga beberapa mikrometer mudah dirakit menjadi struktur susunan yang sangat teratur pada wafer Si [1]. Alasan pemilihan nanospheres dengan diameter 100 nm dalam percobaan kami adalah untuk membandingkan tingkat etsa dengan yang diperoleh oleh ICPE [22, 23]. Diketahui bahwa semakin kecil diameter partikel PS, semakin tinggi tingkat etsa pada kondisi yang sama [20]. Selain itu, potensi penerapan struktur nano terurut dengan diameter di bawah 100 nm sangat menarik.

Gambar SEM dari nanopartikel PS setelah etsa untuk 0 (a ), 5 (b ), 7 (c ), 9 (d ), 10 (e ), dan 11 mnt (f )

Untuk menemukan evolusi diameter partikel nano dengan waktu pemaparan, arus berkas 3 mA dan tegangan 1 kV dipilih, dan waktunya ditetapkan masing-masing 5, 7, 9, 10, dan 11 menit. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, diameter nanopartikel PS berkurang secara bertahap dan ruang antar partikel diperbesar dengan meningkatnya waktu etsa. Untuk sampel dengan waktu etsa 5, 7, dan 9 menit, kisaran diameter nanopartikel masing-masing sekitar 88 ± 9, 75 ± 8, dan 54 ± 8 nm. Setelah etsa selama 10 menit, keseragaman ukuran nanopartikel PS memburuk, dan diameter nanopartikel sekitar 34 ± 10 nm. Setelah terpapar sinar ion selama 11 menit, hanya beberapa nanopartikel yang terdistribusi pada permukaan wafer Si. Nanopartikel sisa ini mungkin berasal dari produk etsa cacat.

Gambar 2 menunjukkan hubungan antara diameter lintasan nanopartikel dan waktu etsa. Pengurangan nonlinier dari diameter lintasan dengan peningkatan waktu etsa diamati. Tren ini merupakan salah satu karakteristik utama dari teknologi etsa anisotropik dan serupa dengan karya sebelumnya yang disiapkan oleh RIE dan PE [16,17,18,19,20]. Selanjutnya, karakteristik lain dari teknologi etsa anisotropik juga dapat dilihat pada Gambar 3. Membandingkan morfologi penampang partikel tanpa etsa dengan yang setelah terpapar sinar ion selama 5 menit, terjadi transisi bentuk partikel PS dari bola ke morfologi non-spherical jelas diamati. Sejak Ar ⁺ berkas ion membombardir permukaan atas partikel PS di bawah kondisi kejadian normal, di mana sputtering fisik akan terjadi secara istimewa. Etsa lateral partikel PS yang dihasilkan dari bombardir plasma Ar mungkin tidak terjadi karena pemisahan produksi ion dan percepatan dari sampel. Tingkat etsa dalam arah longitudinal partikel lebih tinggi dari pada arah traverse. Perbedaan antara tingkat etsa dalam dua arah yang berbeda menginduksi etsa anisotropik nanopartikel PS. Akibatnya, diameter longitudinal partikel non-bola lebih kecil dari diameter lintasannya. Bentuk penampang partikel non-bola terlihat seperti elips, sedangkan morfologi permukaan partikel non-bola masih lingkaran. Selain itu, Tan menunjukkan bahwa etsa partikel PS sepanjang arah longitudinal seragam dengan meningkatnya waktu etsa untuk teknologi RIE [17]. Dengan demikian, tingkat etsa biasanya didefinisikan sebagai pengurangan diameter longitudinal per satuan waktu [17, 20]. Berdasarkan transisi bentuk partikel, laju etsa sepanjang arah longitudinal dapat dihitung sebagai berikut [20]:

dimana D adalah diameter lintasan partikel PS, R ₀ adalah radius nanosphere PS awal, k adalah tingkat etsa sepanjang arah longitudinal, dan t adalah waktu penggoresan. Menurut Persamaan. 1, laju etsa pada waktu pemaparan 5, 9, dan 10 menit dihitung masing-masing sekitar 9,2, 9,3, dan 9,4 nm/menit dalam percobaan kami. Nilai-nilai ini lebih kecil dari yang diperoleh dari RIE [17, 21] dan PE [20], sementara mereka mendekati nilai-nilai yang dicapai dari ICPE [22, 23]. Disarankan bahwa teknologi IBE memiliki potensi yang lebih besar untuk mengontrol proses etsa nanopartikel PS dengan lebih baik karena kecepatan etsanya yang lambat.

Ketergantungan waktu pengurangan diameter lintasan setelah perlakuan berkas ion. Garis putus-putus adalah data eksperimen, sedangkan garis merah adalah hasil perhitungan berdasarkan Persamaan. 1 dengan menyetel k nilai sebagai 9,2 nm/mnt

Gambar FESEM penampang nanopartikel PS dengan diameter 200 nm (a ) dan yang setelah etsa selama 5 mnt (b ). Untuk mencerminkan transisi bentuk nanopartikel dengan jelas, digunakan nanosfer dengan diameter 200 nm. Transisi bentuk nanosfer dengan diameter awal yang berbeda sama setelah terpapar berkas ion

Selain itu, juga diperhatikan bahwa tingkat etsa tidak seragam dengan bertambahnya waktu. Pada Gambar. 2, karena diameter lintasan nanopartikel selanjutnya dikurangi menjadi kurang dari setengah dari nilai awalnya, titik eksperimen jatuh di bawah nilai teoretis yang dihitung berdasarkan Persamaan. 1 dengan menyetel k nilai sebagai 9,2 nm/mnt. Hal ini menunjukkan bahwa kecepatan etsa meningkat pada waktu etsa yang lebih lama. Evolusi berbeda dari hasil yang terutama tergantung pada reaksi kimia antara plasma oksigen dan polistiren (seperti RIE dan ICPE) [16,17,18, 22, 23]. Kecenderungan serupa juga dilaporkan oleh Cao et al. [20] menggunakan teknologi PE baru-baru ini. Mereka mengusulkan bahwa tingkat etsa yang lebih tinggi pada waktu pemaparan yang lebih lama dikaitkan dengan terjadinya etsa lateral. Namun, etsa lateral partikel PS yang dihasilkan dari bombardir plasma mungkin tidak terjadi pada sistem IBE. Kami menganggap bahwa energi panas yang terakumulasi secara bertahap selama pengeboman fisik ion yang dipercepat mungkin memiliki dampak yang signifikan pada tingkat etsa pada waktu pemaparan yang lebih lama. Peningkatan kecepatan etsa partikel PS telah dibuktikan oleh Plettl et al. [22] setelah anil pada 75 °C. Telah diketahui dengan baik bahwa sebagian energi kinetik dari ion yang dipercepat akan diubah menjadi energi panas sampel setelah perlakuan berkas ion. Okuyama dan Fujimoto [27] menunjukkan bahwa target dapat dipanaskan hingga 2000 °C setelah Ar ⁺ pemboman ion jika target memiliki konduksi panas yang buruk. Sebenarnya, sebagian besar energi panas dapat diambil dari target berpendingin air. Tetapi suhu sampel yang ditempatkan pada target dengan pendinginan air atau gas masih dipertahankan pada kisaran 70-150 °C setelah perlakuan sinar ion yang lama [28, 29]. Ketika suhu substrat lebih tinggi dari 135 °C, nanosfer PS bisa meleleh dan menjadi perekat bersama [30]. Fenomena ini tidak diamati dalam sampel kami, yang menunjukkan bahwa suhu tidak akan melebihi 135 °C selama proses pengeboman berkas ion. Oleh karena itu, peningkatan laju etsa pada waktu pemaparan yang lebih lama dapat dianggap berasal dari efek termal dari bombardir ion. Saat ini, etsa nanopartikel PS ditentukan oleh sputtering fisik dan efek termal bersama.

Sepengetahuan kami, susunan partikel PS heksagonal non-close-packed yang melekat pada wafer Si tidak dapat dibeli dari pasar. Salah satu alasan yang mungkin adalah bahwa array yang dibuat dengan menggunakan RIE dan/atau ICPE mudah dipisahkan dari wafer Si. Untuk membandingkan ketahanan luntur susunan non-kemasan tertutup yang dibuat oleh ICPE dengan susunan yang disiapkan oleh IBE, dua sampel dengan diameter dan periodisitas nanopartikel yang sama masing-masing diproduksi oleh sistem ICPE dan IBE. Setelah direndam dalam larutan HF 2,5% selama 3 menit kemudian dibilas dengan air deionisasi, nanopartikel pada sampel yang dibuat dengan ICPE menghilang, sedangkan nanopartikel pada sampel yang dibuat dengan IBE masih menempel pada permukaan wafer Si tanpa mengubah periodisitasnya. . Hal ini menunjukkan bahwa ketahanan luntur nanopartikel PS yang dibuat oleh IBE lebih baik karena efek termal dari bombardir berkas ion. Untuk aplikasi lebih lanjut, nanopartikel dapat dihilangkan dengan merendamnya ke dalam larutan diklorometana selama 2 jam. Hasil ini menunjukkan bahwa susunan partikel PS yang tidak tertutup rapat yang disiapkan dengan menggunakan IBE memiliki potensi besar untuk mempromosikan aplikasi komersial litografi nanosfer. Dan array non-close-packed mungkin tersedia dari pasar di masa mendatang.

Arus berkas juga merupakan faktor penting untuk mengatur laju etsa di IBE. Pengurangan diameter nanopartikel PS yang terpapar pada arus berkas yang berbeda (3, 5, 7, 9, dan 10 mA) dibahas. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4, diameter nanopartikel berkurang dengan meningkatnya arus berkas. Pada arus 10 mA, tidak ada partikel PS yang teramati, tetapi permukaan wafer Si tidak mulus. Banyak pulau kecil, yang periodisitasnya mirip dengan susunan nanopartikel PS, terdistribusi di permukaan (Gbr. 4d). Disarankan bahwa substrat Si dan partikel PS dapat digores dengan Ar ⁺ berkas ion tanpa selektivitas. Berbeda dengan kekasaran permukaan sampel yang disiapkan pada arus 3 mA selama 11 menit (Gbr. 1f), kekasaran lebih besar pada arus 10 mA selama 5 menit pada Gbr. 4d. Hal ini menunjukkan bahwa kerusakan substrat Si serius pada arus berkas yang lebih besar.

Gambar SEM nanopartikel PS yang tergores selama 5 menit dengan tegangan ion 1 kV dan arus pancaran 5 (a ), 7 (b ), 9 (c ), dan 10 mA (d ), masing-masing

Ketergantungan arus berkas pada diameter nanopartikel ditunjukkan pada Gambar 5. Pengurangan nonlinier diameter nanopartikel hadir dengan peningkatan arus berkas. Hal ini serupa dengan evolusi diameter dengan peningkatan daya pada sistem RIE dan PE [16,17,18,19,20,21,22]. Tingkat etsa sekitar 18,9 nm/mnt pada arus 9 mA.

Ketergantungan arus pancaran pada diameter partikel nano yang tergores

Energi kinetik Ar ⁺ . yang dipercepat ion ditentukan oleh tegangan berkas. Pengaruh tegangan balok pada pengurangan diameter juga diselidiki. Tegangan pancaran diatur masing-masing sebagai 500, 700, 900, 1000, dan 1100 V. Dengan peningkatan tegangan berkas, diameter nanopartikel berkurang sedikit. Pada Gambar. 6, sedikit penurunan diameter rata-rata diamati dengan meningkatnya tegangan balok. Saat voltase lebih besar dari 1 kV, laju etsa tetap stabil.

Diameter rata-rata nanopartikel sebagai fungsi dari tegangan pancaran dengan arus ion 3 mA dan waktu etsa 5 mnt

Berdasarkan template dengan susunan nanopartikel PS non-close-packed yang dibuat dengan menggunakan IBE, susunan nanopilar Si yang dipesan dibuat dengan menggunakan etsa kimia berbantuan logam. Morfologi susunan nanopilar Si ditunjukkan pada Gambar 7. Rata-rata diameter dan tinggi nanopilar Si masing-masing sekitar 54 nm dan hampir 100 nm. Di atas nanopilar Si, partikel PS masih ada.

Gambar FESEM dari susunan nanopillar Si