原子层研磨方法及其研磨装置与流程

本发明涉及原子层研磨系统及研磨方法，更为详细地，涉及碳化硅的原子层研磨系统及研磨方法。

背景技术：

随着对像太空照相机一样拍摄高分辨率影像的需求，需要镜头精密平坦化技术。尤其需要以原子层单位进行研磨。

但是，现有的研磨技术为通过物理及化学研磨手段进行的研磨。在现有的研磨技术，例如离子束抛光(ionbeamfiguring)装置的情况下，由于利用通过物理碰撞而引起的溅射现象，因此无法以原子单位进行研磨。

尤其是作为太空光学镜头而受到关注的碳化硅之类的材质，由于其硬度极高且化学性质非常稳定，因此被公知为难以研磨的材质。用于研磨这种材质的技术有将金刚石粒子按照粒子大小应用于工序的技术以及催化剂表面参考蚀刻(care，catalystsurfacereferredetching)法等，但需要昂贵的费用，并且不能以原子层单位进行精密研磨。

当前不存在以原子层单位研磨镜头表面的技术，因而实际情况为无法满足高分辨率拍摄的需求。因此当前是进行满足这种技术需求的新技术研究的必要时期。

技术实现要素：

技术问题

本发明的目的在于，提供一种能够以原子层单位对试样的表面进行研磨的技术。

本发明的另一个目在于，提供一种就连碳化硅之类的极强材质也能够以原子层单位进行研磨的原子层研磨系统及研磨方法。

解决问题的手段

作为一实施方式，本发明提供一种原子层研磨方法，上述原子层研磨方法包括：通过扫描试样的表面来测量上述试样表面的峰位置的步骤；将能够与作为上述试样的材料成分的第一原子键合的第一反应气体朝向上述所测量的峰位置喷射，来在上述峰的表面形成由上述第一反应气体与上述第一原子键合而成的第一反应气体层的步骤；以及向蒸镀有上述第一反应气体层的上述峰位置施加能量来从上述试样分离与上述第一反应气体键合的上述第一原子的步骤。

在本发明中使用的术语“研磨”是指减少试样表面的高度程度的方法，可用于多种目的，例如，可用于平坦化的目的。

在本发明中，当上述试样为包含两种不同原子的材质时，上述第一反应气体作为与上述试样的第一原子键合的气体，其与上述第一原子的键合率高于与上述第一原子之外的其他原子的键合率，在上述分离第一原子的步骤然后，上述原子层研磨方法可包括：将能够与作为上述试样的材料成分的第二原子键合且与上述第二原子的键合率高于与上述第二原子之外的其他原子的键合率的气体朝向上述所测量的峰位置喷射，来在上述峰的表面形成由上述第二反应气体与上述第二原子键合而成的第二反应气体层的步骤；以及向蒸镀有上述第二反应气体层的上述峰位置施加能量来从上述试样分离与上述第二反应气体键合的上述第二原子的步骤。

上述试样是指诸如镜头、镜子之类的研磨对象。

上述峰是在测量平面的研磨程度时获得的值，是指高度高于其他平面位置的位置。

原子作为上述试样的成分，当试样为碳化硅(sic)时，指硅原子或碳原子。

能够与上述原子键合意味着能够形成化学键。在碳原子的情况下，由于其容易与所暴露的氧分子或原子键合，因而表示碳与氧之间的键合。同样地，在硅的情况下，由于其容易与所暴露的含氟气体或氟原子键合，因而表示硅与氟之间的键合。

与第一反应气体键合的试样的原子可以通过施加能量来从试样分离。例如，可以通过离子束施加离子，或者施加电子，或者施加中性粒子，或者施加光能。

上述第一反应气体及第二反应气体的特征在于，能够分别与上述第一原子及第二原子键合来形成挥发性气体，可通过接收上述能量来从试样分离并挥发。

例如，可以通过惰性气体离子的碰撞而获得能量来从试样分离。并且，上述惰性气体的离子照射应当仅使键合的原子从试样分离，为此，其特征在于，以不致溅射程度的能量照射。优选地，上述惰性气体的离子照射能量可以为1～100ev。上述惰性气体可以为包含氩、氦以及氙中的一种的气体。

由于与反应气体键合的一个原子被脱离，因此能够以原子单位对试样进行研磨。

并且，为了进一步确保以原子单位的分离，上述原子层研磨方法可以包括在以仅剩下与上述试样的原子键合的反应气体的方式形成上述反应气体层后，对腔室进行排气的步骤。

上述原子层研磨方法可包括通过反复进行从上述第一反应气体层分离上述第二原子的分离步骤来增强研磨程度的步骤。

在上述分离第一原子的步骤与上述形成第二反应气体层的步骤之间，上述原子层研磨方法可以包括去除残留于上述试样的第一反应气体层的步骤。在上述分离第二原子的步骤然后，上述原子层研磨方法可以包括去除残留于上述试样的第二反应气体层的步骤。上述去除反应气体层的步骤可以包括照射能够与多种上述反应气体反应的气体的等离子体的步骤。优选地，上述等离子体可以为氢等离子体。

作为再一实施方式，本发明提供一种碳化硅平坦化方法，其为通过上述原子层研磨方法进行的碳化硅平坦化方法，上述试样为碳化硅，上述第一反应气体为含氟气体，上述第二反应气体为氧气。在碳化硅的情况下，当首先进行等离子体处理时，由于暴露于表面的硅的氧化而可能发生增加表面粗糙度的问题。因此首先使用含氟气体作为第一反应气体来去除暴露于表面的硅，这有利于平坦化。

作为另一实施方式，本发明提供用于执行上述原子层研磨方法的原子层研磨装置，上述原子层研磨装置包括腔室，用于放置上述试样；试样扫描部，对上述试样的表面进行扫描来测量上述试样表面的峰位置，包括泵(50)，上述泵(50)用于保持上述腔室内部的真空状态，或者在以仅剩下与上述试样的原子键合的反应气体的方式形成上述反应气体层后对上述腔室进行排气；以及喷射部，朝向上述试样的表面传递上述反应气体以及上述能量。

上述喷射部可以包括能量传递喷嘴以及上述反应气体喷射喷嘴。上述喷射部可以包括照射单元，上述照射单元用于照射能够与上述反应气体反应的气体的等离子体，以去除残留于上述试样的反应气体层。上述喷射部的特征在于，能够沿x轴、y轴以及z轴移动以移动到上述峰位置移动，并且能够以垂直方向为基准倾斜θ角度。

发明的效果

根据本发明，可以对碳化硅之类的具有极高硬度且化学性质非常稳定的试样的表面以原子单位进行精密的研磨。并且，可以对试样的表面进行局部研磨。由于喷射部自由移动，因此即使喷射部很小也可以充分地对所要研磨的位置进行研磨。并且，可以通过控制喷射惰性气体离子的等离子体直径来控制研磨区域。

附图说明

图1a为本发明一实施例的研磨系统的示意图。

图1b为例示图1a所示的喷射部沿x轴及y轴移动的形态的图。

图2示出图1a，其为本发明一实施例的喷射部的示意图。

图3示出图1a，其为本发明一实施例的喷射部的示意图。

图4为示出图2及图3所示的喷射部平面的图。

图5为实施例1的通过使用作为第一反应气体的氧气及作为第二反应气体的含氟气体的方法进行sic蚀刻后通过原子力显微镜进行测量的结果。

图6为实施例2的通过使用作为第一反应气体的含氟气体及作为第二反应气体的氧气的方法进行sic蚀刻后通过原子力显微镜进行测量的结果。

图7为在实施例3中对实施例2的等离子体能量进行调节的情况下，示出局部部分的表面粗糙度没有变化的原子力显微镜的测量结果。

图8为说明本发明的原子层蚀刻的示意图。

图9示出在以100w执行实施例3的条件下进行100次蚀刻后的高度差。

图10为当根据原子层蚀刻方法将等离子体电力调整为200w、150w、100w来进行蚀刻时，示出每个原子层蚀刻周期(alecycle)的蚀刻率的图表。

具体实施方式

本申请中所使用的术语仅为说明特定实施例而使用，而非试图对本发明加以限制。除非在文脉上明确表示不同的含义，否则单数的表达包括复数的表达。在本申请中，“包括”或“具有”等术语所要指定说明书中记载的特征、结构要素等的存在，而并不意味着不可以存在或附加一个或一个以上的其他特征或结构要素等。

在没有其他定义的情况下，包含使用于本说明书中的技术术语或科学术语在内的所有术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。诸如在通常使用的词典中所定义的术语之类的术语应解释为具有与在相关技术文脉上所具有的含义相同的含义，除非在本申请中明确定义，否则不应以理想化或过于形式化的含义来进行解释。

本发明的原子层研磨系统利用原子层抛光装置(atomiclayerpolishingdevice)，可从所要研磨的位置的表面去除一层原子层来精巧地研磨所要研磨的位置。此概念类似于离子束加工(ionbeamfiguring)，但并不是物理性的去除，而是一层一层地去除原子层，从而能够进行更为精巧且精密的研磨。

图1a示出本发明一实施例的研磨系统的局部示意图。但图1a的目的仅在于说明本发明，而本发明并不局限于图1a所示的结构。并且，虽然未在图1a中示出本发明结构要素中的一部分结构，但即使是被省略的结构要素，也不一定对应于选择性附加的结构要素，而是可以对应于必要结构要素。

为了实现这种目的，本发明一实施例的研磨系统包括：腔室10；试样固定部30，设置于腔室10上部，用于固定试样20；试样扫描部，设置于上述腔室内，通过扫描上述试样的表面来扫描上述试样表面的平坦度；喷射部40，包括多个喷射喷嘴41、43、45，上述多个喷射喷嘴41、43、45设置于上述腔室内的下侧，能够沿三个轴方向移动，并朝向上述试样喷射至少一种反应气体及惰性气体离子；气体供给源，与上述喷射部相连接；惰性气体离子供给源，与上述喷射部相连接；以及泵50，设置于上述腔室，通过吸入上述腔室内部的气体并向外部排气，来使上述腔室的内部保持真空状态。

关于上述试样，作为研磨对象的试样的种类可根据适当选择反应气体来选择任意试样。本发明的以下实施例以碳化硅为中心进行说明。但这仅为出于说明的目的，而本发明不限于碳化硅试样。

上述研磨系统包括腔室。上述腔室的形状或结构等不受特别的限制，可以为本发明所属技术领域中所使用的腔室。只是从外部进行密封来使内部保持真空状态。

上述腔室内面的上侧具有试样固定部。上述试样固定部为固定上述试样的夹具(jig)。但在本发明的范围内能够变形为任意形态。

上述研磨系统包括对固定的试样进行扫描的试样扫描部。扫描部为扫描仪(scanner)，是将影像信息输入计算机的装置。例如，使用电荷耦合(ccd)摄像机对所要扫描的对象体的1条线的分量进行拍摄，将其信息通过数字信号发送到计算机后朝向轴方向照射来接收平面的影像信息。上述试样扫描部将上述数字信号传输给后述的研磨控制部。并且，能够进行数纳米范围的测量，从而可以进行非常精密的研磨。

上述研磨控制部从上述试样扫描部接收通过扫描上述试样来形成的平坦信息数据，分析上述数据来导出峰位置，并控制后述的分析部来根据本发明的目的对上述试样进行研磨。

上述研磨系统包括喷射部。上述喷射部具有多个喷射喷嘴，上述多个喷射喷嘴设置于上述腔室内面的下侧，能够沿三个轴的方向移动，并能够朝向上述试样喷射至少一种反应气体及惰性气体离子。

图1b为例示图1a所示的喷射部沿x轴及y轴移动的形态的图。

上述喷射部为了研磨上述试样中判断为需要研磨的研磨位置，能够沿图1a及图1b所示的x轴、y轴及z轴中的至少一个轴移动，并且能够以垂直方向为基准倾斜θ角度。优选地，从上述研磨控制部接收需要研磨的研磨位置的信号或数据后，根据需要，沿x轴、y轴及z轴中的至少一个轴移动，并以垂直方向为基准以θ角度移动。尤其是能够在微米范围内准确地移动及定位，从而可以非常精密地向研磨位置移动。

并且，作为一实施例，在图2及图3中示出喷射部的一部分结构和研磨过程的示意图，图4为示出图2及图3所示的喷射部平面的图。

如上述图2至图4所示，上述喷射部40可以包括第一反应气体喷射喷嘴43、第二反应气体喷射喷嘴45以及惰性气体离子喷射喷嘴41。其中，作为一个例示，上述第一反应气体喷射喷嘴43与上述惰性气体离子喷射喷嘴41位于同轴，上述第一反应气体喷射喷嘴43的直径大于上述惰性气体离子喷射喷嘴41的直径。并且，还可以提供如下形态，即，上述第二反应气体喷射喷嘴45与上述第一反应气体喷射喷嘴43位于同轴，上述第二反应气体喷射喷嘴45的直径大于上述第一反应气体喷射喷嘴43的直径。

图8为说明本发明的原子层蚀刻的示意图，将参照图8进行如下说明。

通过上述第一反应气体喷射喷嘴43向试样喷射第一反应气体。上述第一反应气体为含氟气体，例如cf4、sf6或者nf3，上述第二反应气体为含氧气体。图8例示了cf4作为含氟气体。当向碳化硅试样喷射含氟气体时，喷镀于试样的表面，并发生根据下述反应式1的反应。

反应式1

sic+sf6→sic-c+sif4

即，碳化硅的一个硅原子与氟原子键合，通过不致因惰性气体离子(ar离子)而产生溅射程度的弱碰撞来从碳化硅分离。即，以原子单位去除一层。

然后，若向碳化硅试样喷射氧气，则与试样的碳键合来蒸镀于表面，并发生根据下述反应式2的反应。

反应式2

sic+o2→sic-si+co2

即，碳化硅的一个碳原子与氧原子键合，通过不至因惰性气体离子(ar离子)而产生溅射程度的弱碰撞来从碳化硅分离。即，以原子单位去除一层。

优选地，上述惰性气体离子利用等离子体束来喷射。同时，可以通过控制上述等离子体束的照射直径来控制等离子体束的照射量，从而控制上述研磨位置的研磨范围。尤其是能够以多种方法来控制等离子体束，可以采用多种等离子体束。

上述研磨系统包括与上述喷射部连接且向上述喷射部供给气体的气体供给源。当设有多种上述反应气体时，优选地，设置多个气体供给源。

并且，上述研磨系统包括与上述喷射部连接且向上述喷射部供给惰性气体离子的惰性气体离子供给源。当设有多种上述惰性气体离子时，优选地，设置多个惰性气体离子供给源。

而且，上述研磨系统包括泵50。上述泵50吸入上述腔室内部的气体并向外部排气，来保持上述腔室内部的真空状态。如上所述，通过吸入在研磨试样时生成的多种气体来从与外部连接的排出口去除内部气体。

通过这种研磨系统，可以准确地分析研磨位置来精巧地对试样进行研磨。并且，当具有多个研磨位置时，在对第一研磨位置进行研磨后，移动上述喷射部来对第二研磨位置进行研磨，可以依次对多个研磨位置进行研磨。

以上，参照本发明的优选实施例进行了说明，但本发明所属技术领域的普通技术人员可以理解，可以在不脱离下述发明要求保护范围中所记载的本发明的思想及领域的范围内对本发明进行多种修改及变更。

实施例1

步骤s1)，作为碳化硅试样，准备了4h-sic晶片直径为4″以及厚度为350μm、off4°的碳化硅，将其置入腔室内后，以200mtorr进行了排气。

步骤s2)，然后，首先向碳化硅试样表面注入15秒的氧气后，对腔室进行了30秒的抽吸并排气，以在试样表面仅保留氧-碳反应气体层。

步骤s3)，然后，从200w的ar等离子体向上述氧-碳反应气体层注入了15秒的ar离子。

步骤s4)，然后，注入氢等离子体来去除残留的氧-碳反应气体层，并进行了30秒的模糊测试(0mtorr)过程。

步骤s5)，然后，向试样表面注入15秒的cf4气体后，对腔室进行60秒的抽吸并排气，以在试样表面仅残留氟-硅反应气体层。

步骤s6)，然后，从200w的ar等离子体向上述氟-硅反应气体层注入了15秒的ar离子。

步骤s7)，然后，通过注入氢等离子体来去除残留的氟-硅反应气体层，然后进行了30秒的模糊测试(0mtorr)过程。

将步骤s2)至s7)反复进行了100次。通过原子力显微镜对其表面进行测量来确认了表面粗糙度。如图5所示，可以看出局部表面的粗糙度增加。其原因可能是由于先进行氧气工序而导致氧化并局部变厚，并且认为粗糙度在原子水平上增加。

实施例2

步骤s1)，作为碳化硅试样，准备了4h-sic晶片直径为4″以及厚度为350μm、off4°的碳化硅，将其置入腔室内后，以200mtorr进行了排气。

步骤s2)，然后，首先向碳化硅试样表面注入15秒的cf4后，对腔室进行了30秒的抽吸并排气，以在试样表面仅残留氟-硅反应气体层。

步骤s3)，然后，从200w的ar等离子体向上述氟-硅反应气体层注入了15秒的ar离子。

步骤s4)，然后，注入氢等离子体来去除残留的氟-硅反应气体层，并进行了30秒的模糊测试(0mtorr)过程。

步骤s5)，然后，向试样表面注入15秒的氧气气体后，对腔室进行了60秒的抽吸并排气，以在试样表面仅残留氧-碳反应气体层。

步骤s6)，然后，从200w的ar等离子体向上述氧-碳反应气体层注入了15秒的ar离子。

步骤s7)，然后，通过注入氢等离子体来去除残留的氧-碳反应气体层，然后进行了30秒的模糊测试(0mtorr)过程。

将步骤s2)至s7)反复进行了100次。通过原子力显微镜对其表面进行测量来确认了表面的粗糙度。如图6所示，可以看出局部表面的粗糙度没有变化。在更换气体条件后进行实验的情况下，确认到表面粗糙度小幅度增加，并且一个周期大约被蚀刻0.6nm，这可能是由ar等离子体的溅射引起。

实施例3

以如下方式降低实施例2中的等离子体能量并对sic原子层进行了蚀刻。

步骤s1)，作为碳化硅试样，准备了4h-sic晶片直径为4″以及厚度为350μm、off4°的碳化硅，将其置入腔室内后，以200mtorr进行了排气。

步骤s2)，然后，首先向碳化硅试样表面注入15秒的cf4后，对腔室进行了30秒的抽吸并排气，以在试样表面仅残留氟-硅反应气体层。

步骤s3)，然后，从200w的ar等离子体向上述氟-硅反应气体层注入了15秒的ar离子。

步骤s4)，然后，注入氢等离子体来去除残留的氟-硅反应气体层，并进行了30秒的模糊测试(0mtorr)过程。

步骤s5)，然后，向试样表面注入15秒的氧气气体后，对腔室进行了60秒的抽吸排气，以在试样表面仅残留氧-碳反应气体层。

步骤s6)，然后，从150w的ar等离子体向上述氧-碳反应气体层注入了15秒的ar离子。

步骤s7)，然后，通过注入氢等离子体来去除残留的氧-碳反应气体层，然后进行了30秒的模糊测试(0mtorr)过程。

将步骤s2)至s7)反复进行了100次。通过原子力显微镜对其表面进行测量来确认了表面的粗糙度。如图7所示，可以看出在150w的条件下，表面的粗糙度没有增加，但蚀刻率在0.6nm的水准。

再次在100w的条件下进行了100次蚀刻，所测量的结果如图9所示。可以确认一次蚀刻中大约蚀刻0.3nm。并且，进一步地，在将等离子体电力调整为200w、150w、100w的条件下进行蚀刻时，每个原子层蚀刻周期(alecycle)的蚀刻率如图10所示。当等离子体电力变大时，由于会发生惰性气体引起的溅射效果，因而在原子水平蚀刻时，呈现出比预期更高的蚀刻率。