氩离子入射角度对坡莫合金薄膜刻蚀速率的影响研究
2017-07-26 22:06:50   来源：微迷   评论：0   点击：

在现代微电子器件的加工制造中，离子束刻蚀技术由于其对材料没有选择性、对基片损伤小、刻蚀速率快、各向异性好、图形转移精度高、工艺安全等优点而被广泛应用。刻蚀工艺参数作为离子束刻蚀的关键技术一直受到人们的关注并被深入研究。在相同刻蚀条件下，刻蚀速率因材料而异。对于同一种材料，刻蚀速率与诸多因素有关，包括离子束能量、束流密度、离子束入射角度等，其中离子束入射角度对刻蚀速率的影响尤为重要，引起了人们的广泛关注。

为了研究不同离子入射角对刻蚀速率的影响，兰州大学磁学与磁性材料教育部重点实验室的李华等研究人员针对坡莫合金（Ni81Fe19）薄膜这种良好的软磁薄膜材料，采用改变刻蚀样品台倾斜角度且保持样品台不断旋转的方法，研究了不同的氩离子束入射角度对坡莫合金薄膜刻蚀速率的影响，并对结果进行了初步的理论分析。本研究获得了国家自然科学基金项目（51202102）；兰州大学磁学与磁性材料教育部重点实验室开放课题（MMM2014014）；高等学校仪器设备和优质资源共享系统项目管理中心项目（CERS-1-89）的支持。研究成果发表于《实验技术与管理》杂志。

本实验中使用的是北京埃德万斯离子束研究所股份有限公司生产的LKJ-1D-150型离子束刻蚀机，埃德万斯自主研发的Advanced LKJ系列离子束刻蚀系统，为通用离子束刻蚀系统，除了可进行传统微纳结构刻蚀外，还可实现离子束清洗、材料表面抛光和材料减薄等功能，还可实现化学辅助离子束刻蚀（CAIBE）与反应离子束刻蚀（RIBE）。

Advanced LKJ系列离子束刻蚀系统加工制得的沟槽结构

本实验的刻蚀条件为：氩离子能量Ei=500eV、束流密度Jb=1mA/cm2、刻蚀时间T=2min、入射角θ（离子束与样品法线之间的夹角）=0°。将刻蚀后的样品用分析纯的丙酮去除剩余的光刻胶，然后用超纯水清洗3遍，高压氮气吹干后得到制备好的样品。

为研究坡莫合金材料在不同氩离子束入射角度下的刻蚀速率，改变离子束刻蚀仪样品平台倾斜角度，使氩离子束入射样品的角度θ分别为0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°，制备出不同氩离子束入射角度的刻蚀样品。

刻蚀后坡莫合金薄膜样品的SEM图

坡莫合金薄膜的刻蚀速率与氩离子束入射角度关系

从上图可以看出，随着氩离子束入射角的不断增大，刻蚀速率也逐渐增大。当入射角为50°时，坡莫合金薄膜材料的刻蚀速率出现极大值（60nm/min）。此后，随氩离子束入射角的进一步增大，刻蚀速率迅速减小，在80°时降至极小。

该公式为索末克（S. Smoekh）推证出的刻蚀速率公式。式中ER是入射角为θ时材料的刻蚀速率；θ入射角，定义为样品表面法线与离子束之间的夹角；Jb是束流密度；n是材料的原子密度；Y是材料的溅射率。

当氩离子小角度入射时，离子的动量矢量指向坡莫合金薄膜材料晶格点阵内部，通过级联碰撞转移给坡莫合金材料原子的动量矢量仍是指向内部的分量占有优势，入射离子的能量主要消耗在坡莫合金材料的晶格点阵内部，只存在少量动量矢量向外并且具备脱离表面所需能量的表面原子，所以坡莫合金薄膜材料在小角度入射时的ER较低。随着入射角度的增大，矢量翻转的概率提高，ER也随着增加。同时，随着入射角度的增大，离子在坡莫合金材料表面的弹性反射概率也逐渐增加，离子的射程逐渐减小，伴随而来的就是离子与材料原子间的有效动量交换减弱及溅射额减少。增大入射角度带来的这两种效果交替占据优势，从而导致坡莫合金薄膜材料的ER在入射角度50°的时候出现极大值后下降。当入射角度为80°（大角度掠射）时，材料表面对离子呈现出大的弹性散射，能量交换急剧减少，刻蚀速率也随之跌至极小。