聚焦离子束（FIB）直写技术研究
2017-10-09 22:00:19   来源：微迷   评论：0   点击：

现代半导体制造业迅速发展，对产品的质量要求越来越高，对相关的微分析技术的要求也越来越高。除了IC 制造以外，纳米结构在新元件上应用越来越多，特别是纳米光子和纳米光学。

聚焦离子束（Focused Ion Beam，FIB）系统是在常规离子束和聚焦电子束系统研究的基础上发展起来的，除具有扫描电子显微镜具有的成像功能外，由于离子质量较大, 经加速聚焦后还可对材料和器件进行刻蚀、沉积、离子注入等微纳加工，因而在纳米科技领域起到越来越重要的作用。

FIB的加工是通过离子束轰击样品表面来实现的。在FIB 加工系统中，来自液态金属离子源的离子束经过加速、质量分析、整形等处理后, 聚焦在样品表面。离子束斑直径目前已可达到几个纳米，其加工方式为将高能离子束聚焦在样品表面逐点轰击，可通过计算机控制束扫描器和消隐组件来加工特定的图案。

东南大学机械工程学院金乾进等研究人员以实验为基础，从具体的实验结果分析了各加工参数对刻蚀结果的影响，主要讨论微纳图形加工过程中，FIB 系统工作参数对刻蚀结构的影响。FIB 刻蚀过程中，离子束强度对于束斑的聚集性有所影响；改变离子束的入射电流直接改变了离子束刻蚀速率；随着离子束驻留时间的增加，再沉积效应的影响越来越明显。在实际刻蚀应用中，熟练掌握各参数对溅射刻蚀的影响，可以大大提高加工效率，同时也能减小因加工参数选择不当造成加工错误的可能性。

一、离子束强度的影响

离子源聚焦到样品表面时，其能量呈高斯分布，设计简单实验初探能量对结构的影响对下一步实验具有指导意义。

实验方法：本文研究的各微纳图形均在Si（100）晶片上进行，预先将其切割为需求大小（5mm*10mm)。每次实验前会通过光学显微镜在晶片上查找一块干净区域，并在此区域周边滴上银胶标记，既能方便定位查看结果，又能利用银胶边缘结构快速聚焦。在刻蚀中，纳米图形结构轮廓、形貌特征与不同的工艺参数密切相关。

实验内容：在其他参数一致的情况下，改变离子束强度，研究离子束强度的高斯分布对实验结果的影响。设定结构尺寸为2um*2um，驻留时间为50us，深度设置为100nm，离子束能量取5keV、30keV，研究离子束能量的改变对刻蚀结构的影响。

图1 不同能量下刻蚀方形结构的倾斜视图

图2 不同电流下刻蚀线结构的俯视图

图3 不同电流下刻蚀线结构的AFM轮廓图

图1 为两种能量下刻蚀方形结构的52°倾斜视图。根据标尺测量知，5keV 时矩形宽度为3068nm，30keV时矩形结构宽度为2269nm，刻蚀宽度分别比设定的参数大53.4% 和13.45%，由于入射离子剂量相同，实验结果表明，刻蚀中5keV 时束斑更宽，而入射离子速度变慢，刻蚀能力变低，聚焦性更差。因此在实际应用中，根据需求选择不同的能量可以达到不同的效果，如透射电子显微镜（TEM）制备过程中，粗切时就需要选用30keV 进行材料去除，而在减薄过程中则可以选择入射速度较小的离子轰击，慢慢减薄。

另外，从图1（b）中可以观察到，设计的方形结构轮廓，结构的边缘并非垂直侧壁。这是由于入射的束流轮廓呈高斯分布的原因，去除材料主要由能量在半高宽以上的离子分布决定，而半高宽以下分布的离子（beam tail）导致刻蚀出的侧壁非垂直形貌。

二、离子束电流的影响

离子束电流的增加导致入射离子剂量随着增加，不同电流扫描同样的结构时，电流越大结构轮廓尺寸也会越大。设定三组线结构实验，相同参数包括：不同电流下刻蚀的线轮廓长度均为10us，驻留时间是50us，扫描总时间为20s；三组实验中电流变化依次为1.5pA、9.7pA 和48pA。图2 中结果为线结构俯视图，由于线结构轮廓尺寸较小，很难观察到，因此采用原子力显微镜（AFM）对尺寸进行测量，主要对比结构的宽度和深度变化情况。

图3分别为入射电流1.5pA、9.7pA 和48pA 线结构的原子力显微镜（AFM）轮廓结果，根据AFM测量结果量取三种电流下线结构深度和宽度，如图4所示。

图4 不同电流下刻蚀线结构尺寸

线结构的AFM 测量结果表明，随着电流的增加，入射的离子数增加，相同的时间内，电流越大刻蚀的线轮廓越深，宽度变化比较缓慢。小电流可用来刻蚀纳米级尺寸，大电流材料去除能力较强，实际应用中应当根据不同的需求选用不同的电流进行加工。

三、离子束驻留时间对结构形貌的影响

FIB加工过程中，在单点停留时间称为驻留时间。在蚀刻过程中，当入射离子驻留时间增加时，再沉积效应随之产生，此时刻蚀的形貌结构由于再沉积影响发生变化，因此在测量溅射产额时，研究驻留时间变化对结构的影响是有必要的。

图5 1ms驻留时间刻蚀再沉积结构和截面图（A-A）

如图5刻蚀矩形2um*4um 结构，驻留时间选择1ms，刻蚀1次，扫描方向为从左到右。从截面结果可以看到，整个扫描过程中，一次刻蚀深度曲线式加深，并从开始边界到结束始终有再沉积存在，并在两侧壁形成再沉积非晶层。

四、再沉积对结构形貌的影响

驻留时间较大时，会存在再沉积效应，利用再沉积可以刻蚀出一些奇特的形貌轮廓。如图6 所示，预先用小驻留时间（50us）刻蚀方形结构，扫描次数为20 次；再将驻留时间增加至1000us 后加工矩形结构，扫描次数为1 次，要求此矩形结构交于方形结构的边缘。

图6 再沉积结构

根据之前实验可知，第二次刻蚀矩形结构一定存在再沉积效应，当遇到有一定深度的结构时，由于边界侧壁非垂直结构，当扫描矩形结构刻到倾斜边界上时，去除材料的能力增加，刻蚀速度增大。两侧类似肋板的结构，是由于再沉积堆积存在方向性。第二次结构初始扫描时，与方形重叠作用产生一方形轮廓，后续再沉积时就会沿着这一方形轮廓继续堆积，所以最后堆积出一类似肋板的结构。

五、结论

FIB的微纳图形制备过程中，不同的加工工艺对结构形貌产生一定的影响。材料去除时离子束能量采用30keV 时，结构形貌和预设的基本一致，小能量加工离子束的聚焦性分散，目前在TEM制备中有所应用；相同能量下，不同的入射电流直接改变入射剂量，小电流可用来刻蚀纳米级结构；当增加驻留时间时，再沉积效应影响更明显，再沉积堆积过程中有一定的方向性，可利用其堆积原理制备奇异的再沉积结构。因此在实际应用中，应当根据实际制备需求采用不同的加工工艺加工，才能最终刻蚀出理想的形貌。

北京埃德万斯离子束技术研究所股份有限公司自主研发的离子束刻蚀机、离子束溅射镀膜机是非硅微纳机电制造的核心设备。其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）。埃德万斯自主研发的离子束溅射薄膜沉积系统具有最宽范围材料适用性、最佳的沉积环境、优良的清洗功能、高密度金属厚膜、高材料利用率以及辅助溅射功能。