聚焦離子束的納米加工

1、聚焦離子束的納米加工 薛迪1聚焦離子束的納米加工技術(shù)2聚焦離子束系統(tǒng)的應(yīng)用3FIB 納米制造技術(shù)的應(yīng)用CONTENTSPART基于聚焦離子束的納米加工技術(shù)基于聚焦離子束的納米加工技術(shù)01聚焦離子束簡(jiǎn)介 聚焦離子束(focused ion beam, FIB)與聚焦電子束從本質(zhì)上講是一樣的，都是帶電粒子經(jīng)過(guò)電磁場(chǎng)聚焦形成細(xì)束。但聚焦電子束不同于聚焦離子束。區(qū)別在于它們的質(zhì)量，最輕的離子為氫離子也是電子質(zhì)量的1 840倍。離子束不但可以像電子束那樣用來(lái)曝光，而且重質(zhì)量的離子也可以直接將固體表面的原子濺射剝離，因此聚焦離子束更廣泛地作為一種直接微納米加工工具。 離子束的應(yīng)用已經(jīng)有近百年的歷史。自19

2、10年Thomson建立了氣體放電型離子源后，離子束技術(shù)主要應(yīng)用于物質(zhì)分析、同位素分離與材料改性。由于早期的等離子體放電式離子源均屬于大面積離子源，很難獲得微細(xì)離子束。真正的聚焦離子束始于液態(tài)金屬離子源的出現(xiàn)。1975年美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出液態(tài)金屬離子源(LMIS)，1978年美國(guó)加州休斯研究所的R.L.Seliger等人建立了第一臺(tái)裝有Ca離子LMIS的FIB系統(tǒng)，其束斑直徑僅為100nm(目前已可獲得只有5nm的束斑直徑)。電流密度為 。這給進(jìn)行亞微米加工器件的研究極大的鼓舞。 聚焦離子束的工作原理 離子束系統(tǒng)的“心臟”是離子源。目前技術(shù)較成熟，應(yīng)用較廣泛的離子源是LMIS，其源尺寸小

3、、亮度高、發(fā)射穩(wěn)定可以進(jìn)行微納米加工。同時(shí)其要求工作條件低(氣壓小于10-5Pa，可在常溫下工作)，能提供Al. As. Au. B. Be. Bi.Cu. Ca. Fe. In. P. Pb. Pd. Si. Sn及Zn等多種離子。山于Ca (鎵)具有低熔點(diǎn)、低蒸氣壓及良好的抗氧化力，成為目前商用系統(tǒng)采用的離子源。液態(tài)金屬離子源(LMIS)結(jié)構(gòu)有多種形式，但大多數(shù)由發(fā)射尖鎢絲、液態(tài)金屬貯存池組成，典型的LMIS結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。聚焦離子束系統(tǒng)的組成及原理 聚焦離子束(Focused ion beam , FIB)系統(tǒng)主要由離子發(fā)射源、離子光學(xué)系統(tǒng)、工作臺(tái)、真空與控制系統(tǒng)組成。 典型的聚焦

4、離子束系統(tǒng)主要分為兩級(jí)透鏡系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。液態(tài)金屬離子源產(chǎn)生的離子束，在外加電場(chǎng)的作用下，形成一個(gè)極小的尖端，再加上負(fù)電場(chǎng)牽引尖端的金屬，從而導(dǎo)出離子束。首先，在通過(guò)第一級(jí)光闌之后，離子束被第一級(jí)靜電透鏡聚焦，初級(jí)八級(jí)偏轉(zhuǎn)器用于調(diào)整離子束以減小像散。經(jīng)過(guò)一系列的可變化孔徑，可靈活改變離子束束斑的大小。其次，次級(jí)八極偏轉(zhuǎn)器使離子束根據(jù)被定義的加工圖形進(jìn)行掃描加工，通過(guò)消隱偏轉(zhuǎn)器和消隱阻擋膜孔可實(shí)現(xiàn)離子束的消隱。最后，通過(guò)第二級(jí)靜電透鏡，離子束被聚焦到非常精細(xì)的束斑，分辨率可小至約10 nm。被聚焦的離子束轟擊在樣品表面，產(chǎn)生的二次電子和離子被微通道板探測(cè)器(MCP)收集并成像。圖3 聚焦

5、離子系統(tǒng)原理聚焦離子束制加工 聚焦離子束加工是通過(guò)高能離子與材料原子間的相互碰撞完成的在原子的級(jí)聯(lián)碰撞過(guò)程中，如果受碰撞后的表面原子其動(dòng)量方向是離開表面，而且能量又達(dá)到一定閥值時(shí)，就會(huì)引起表面粒子出射，這種現(xiàn)象稱為濺射去除，見圖a從表面逸出的各種粒子包括散射離子、二次離子、二次電子、X射線及光子等，來(lái)自于不同的物理過(guò)程，帶有豐富的表面信息。其中，激發(fā)的二次電子可以用來(lái)進(jìn)行離子束顯微成像，見圖b圖a 銑削濺射圖b 顯微成像入射離子經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)碰撞，能量損失殆盡而停留在晶格之間，此現(xiàn)象被稱作離子注入，見圖c聚焦離子束不僅可以通過(guò)濺射來(lái)剝離去除材料，而且可以實(shí)現(xiàn)材料在指定位置的添加，即局部誘導(dǎo)沉積，見圖

6、d圖c 離子注入圖d 離子誘導(dǎo)沉積加工精度和表面質(zhì)量高 離子束加工是靠微觀力效應(yīng)，被加工表面層不產(chǎn)生熱量，不引起機(jī)械力和損傷。離子束斑直徑可達(dá)1um以內(nèi)，加工精度可達(dá)nm級(jí)加工材料廣可對(duì)各種材料進(jìn)行加工。 對(duì)脆性、半導(dǎo)體、高分子等材料均可加工。由于是在真空下進(jìn)行加工，故適于加工易氧化的金屬、合金和半導(dǎo)體材料等加工方法多樣 離子束加工可進(jìn)行去除、鍍膜、注入等加工，利用這些加工原理出現(xiàn)了多種多樣的具體方法，如成形、刻蝕、減薄、曝光等，在集成電路制作中占有極其重要的地位。控制性能好 易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化應(yīng)用范圍廣泛 可以選用不同的離子束的束斑直徑和能量密度來(lái)達(dá)到不同的加工要求。其應(yīng)用范圍可用圖4表示142

7、53聚焦離子束加工的特點(diǎn)圖4 聚焦離子束的應(yīng)用范圍PART聚焦離子束系統(tǒng)的應(yīng)用聚焦離子束系統(tǒng)的應(yīng)用02聚焦離子束系統(tǒng)中用作離子源的金屬元素(如稼)的原子量一般較大，當(dāng)荷能離子束轟擊樣品時(shí)，其能量會(huì)傳遞給樣品中的原子(分子)而發(fā)生濺射效應(yīng)。用合適的離子束束流，可以對(duì)不同的材料實(shí)施高速微區(qū)刻蝕，若再配以離子束掃描，則可以在樣品材料上刻蝕出不同的圖形。這一特點(diǎn)的典型應(yīng)用就是電路板失效檢測(cè)、三維納米結(jié)構(gòu)加工和透射電鏡制樣(TEM samplepreparation)。特別是在透射電鏡制樣中，為了使電子能穿越樣品，在制備樣品時(shí)要求其厚度非常薄，通常小于100nm傳統(tǒng)的方法是研磨或離子束減薄，這樣會(huì)使樣品

8、制備的周期長(zhǎng)，通常會(huì)因?yàn)檫^(guò)度剝離而導(dǎo)致制樣失敗，成功率低。采用聚焦離子束技術(shù)為透射電鏡制樣，定位精度高，可以通過(guò)電子束成像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，省時(shí)省力，而且成功率高。 1 離子束刻蝕01 為了提高離子束刻蝕的速率和離子束刻蝕對(duì)不同材料的選擇性，通常在刻蝕過(guò)程中用氣體注入系統(tǒng)(GIS)加入一定量的刻蝕氣體以增強(qiáng)刻蝕。其基本原基本原理理就是用高能離子束將不活潑的輔助刻蝕氣體分子(如鹵化物氣體)變成活性原子、離子和自由基，這些活性基團(tuán)與樣品材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成揮發(fā)勝物質(zhì)，脫離樣品后被真空系統(tǒng)抽走，從而實(shí)現(xiàn)快速刻蝕該技術(shù)的最大特點(diǎn)是可以大幅度提高刻蝕速率、刻蝕對(duì)材料的選擇性和圖形側(cè)壁的垂直性等。022 反應(yīng)離子

9、束刻蝕 J. T aniguch等用聚焦離子束系統(tǒng)(FIB)的離子束輔助刻蝕技術(shù)成功制備了單晶金剛石場(chǎng)發(fā)射針尖，聚焦離子束輔助刻蝕技術(shù)對(duì)減小單晶金剛石場(chǎng)發(fā)射針尖的發(fā)射區(qū)域非常重要。N.A. Paraire采用聚焦離子束刻蝕多層膜的方法加工出了二維光子晶體，下圖是二維光子晶體在同一區(qū)域的SEM像。M.Yoshida用聚焦離子束技術(shù)在金屬薄膜上刻蝕出線寬幾十納米的溝槽。這種直接微加工技術(shù)在人工制備單電子器件、巨磁阻器件等領(lǐng)域非常重要。高能離子束誘導(dǎo)沉積金屬膜和介質(zhì)膜的基本原理基本原理就是將一些金屬有機(jī)物氣體通過(guò)氣體注入系統(tǒng)噴涂在樣品上需要沉積薄膜的區(qū)域，當(dāng)聚焦離子束的高能離子作用在該區(qū)域時(shí)就會(huì)使有

10、機(jī)物發(fā)生分解，分解后的固體物質(zhì)被沉積下來(lái)當(dāng)離子束按一定的圖形掃描時(shí)，即可形成特定的三維微結(jié)構(gòu)圖形，這一特點(diǎn)已在微機(jī)械系統(tǒng)的加工中得到應(yīng)用。將聚焦離子束沉積和刻蝕技術(shù)結(jié)合起來(lái)，在微米/納米三維結(jié)構(gòu)的加工和修復(fù)中具有重要應(yīng)用。比如大規(guī)模集成電路的曝光掩膜版制作工藝復(fù)雜，周期長(zhǎng)，成本高，對(duì)修復(fù)其中的缺陷是必要的。可利用聚焦離子束技術(shù)的沉積和刻蝕技術(shù)在曝光掩膜版上淀積必要的部分和去除多余的部分。 3 離子束沉積薄膜YongQi Fu等結(jié)合利用聚焦離子束技術(shù)的刻蝕和濺射功能，加工成型了9x9微透鏡陣列，單個(gè)透鏡的直徑為60um; J. Fujita利用聚焦離子束輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)(FIB-CVD)精確

11、制備出了微米量級(jí)的三維立體結(jié)構(gòu)，如酒杯、線圈等，如圖3所示。這些成果充分體現(xiàn)了聚焦離子束技術(shù)在微加工領(lǐng)域中的高精度和高分辨率的特點(diǎn)。圖6 FIB 所加工的三維微結(jié)構(gòu)圖形 4 FIB 顯微成像 離子束的顯微成像功能是其納米加工的重要支撐，利用成像功能可以對(duì)加工的結(jié)果、樣品形貌和組成等信息進(jìn)行表征和評(píng)價(jià)。由于聚焦離子束的束斑直徑為納米尺度，與掃描電子顯微技術(shù)相通，可以實(shí)現(xiàn)納米精度的高分辨率顯微成像。由于單獨(dú)的聚焦離子束系統(tǒng)在完成大束流加工和小束流觀察的過(guò)程中需要不斷地切換束流強(qiáng)度，使加工過(guò)程變得繁瑣，并且增加對(duì)樣品的離子束照射損傷，所以，目前商業(yè)上常用的是聚焦離子束與掃描電子顯微鏡相結(jié)合的雙束系統(tǒng)

12、。它兼有掃描電鏡高分辨率成像和聚焦離子束高精度加工的功能。用掃描電鏡可以對(duì)樣品精確定位，并能高分辨率觀察聚焦離子束的加工結(jié)果和過(guò)程，對(duì)樣品的損傷降到了最低限度，多束系統(tǒng)己成為FIB裝備技術(shù)發(fā)展的主流。 圖7 銅鎳鋅合金的二次電子顯微圖像對(duì)比 圖8所示，銅樣品的晶向?qū)IB加工結(jié)果存在顯著影響，特別是快速掃描加工時(shí)影響更顯著。因此，離子束的顯微成像對(duì)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、組成和性能的分析研究具有重要的價(jià)值。離子束成像的優(yōu)勢(shì)在許多研究中得到了應(yīng)用，例如，2012年天津大學(xué)微納制造實(shí)驗(yàn)(MNMT)，利用聚焦離子束顯微成像對(duì)H62黃銅的微觀金相組成進(jìn)行了高靈敏探測(cè)，而同時(shí)采用EDX能譜分析卻無(wú)法探測(cè)和解

13、釋，為微機(jī)械加工中微尺度毛刺的形成機(jī)理研究提供了重要依據(jù)。圖8 銅樣品的晶向?qū)IB加工結(jié)果的影響5 離子注入6 無(wú)掩膜曝光離子注入是利用聚焦離子束系統(tǒng)(FIB)中離子能量較高的特點(diǎn)(數(shù)萬(wàn)電子伏以上)，將離子注入基底并與基底材料合成所需的化合物。比如，利用合金液態(tài)金屬離子源(如AuSiBe-LMIS.CoNe-LMIS)聚焦離子束系統(tǒng)(配有質(zhì)量分析器)可以選擇不同的離子注入(如Au. Si. B. As. Ga.In等離子) 同一樣品，從而在一定范圍內(nèi)形成特定的摻雜或具有特定物化性質(zhì)的薄膜。與傳統(tǒng)工藝相比，其分辨率高，無(wú)需掩膜，從而簡(jiǎn)化了工藝，使無(wú)掩膜納米級(jí)工藝生產(chǎn)變?yōu)榭赡?，而且這種微區(qū)摻雜是

14、其它技術(shù)不易實(shí)現(xiàn)的。 聚焦離子束曝光與其它曝光方式相比，具有高靈敏度、高分辨率和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，且無(wú)需掩膜這是由于離子質(zhì)量大，在抗蝕劑中射程小、能量淀積高、散射角小、鄰近效應(yīng)小、曝光時(shí)間短但是由于離子束的偏轉(zhuǎn)、消隱以及散射離子的噪聲效應(yīng)，很難在大而積曝光上應(yīng)用，所以口前主要用于其它曝光方式無(wú)法或難以實(shí)現(xiàn)的部分曝光以及實(shí)驗(yàn)室中微區(qū)納米結(jié)構(gòu)加工過(guò)程中的曝光，如微區(qū)納米場(chǎng)致發(fā)射陣列的制備等另外，離子束的劑量、能量、束斑直徑(幾微米-10nm)可以調(diào)節(jié)，能滿足在同一材料上加工不同線寬、不同尺度圖形的要求，與其它工藝相比，工序大為簡(jiǎn)化。例如，在加工金屬-氧化物-半體場(chǎng)效應(yīng)管中，用聚焦離子束曝光，得到了1

15、00nm的硅柵極。 由于聚焦離子束系統(tǒng)的離子束分辨率極高(5-7nm左右)，可以進(jìn)行樣品特定范圍內(nèi)的微區(qū)分析。結(jié)合飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀(TOF-SIMS)，將高質(zhì)量分辨率和高空間分辨率的特點(diǎn)相結(jié)合，可以在極小的范圍內(nèi)獲得樣品表而和深層成分分布的信息，這是材料分析中有力的手段之一。聚焦離子束( FIB)與場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)組合在一起的雙束系統(tǒng)同時(shí)具備了兩種設(shè)備的優(yōu)勢(shì)單獨(dú)的聚焦離子束系統(tǒng)(FIB)在完成大束流微加工和小束流觀察形貌的過(guò)程中要不停地變換束流強(qiáng)度，既影響了束流強(qiáng)度的穩(wěn)定性，又延長(zhǎng)了加工時(shí)間。在雙束系統(tǒng)中采用電子束成像，不但提高了成像質(zhì)量，減小了對(duì)樣品的損傷，而且縮短了加工

16、時(shí)間，避免了對(duì)離子束穩(wěn)定性的影響比如，Bunbunoshin Tomiyasu將聚焦離子束系統(tǒng)與二次離子質(zhì)譜儀結(jié)合起來(lái)(FIB-SIMS)進(jìn)行三維圖形形貌分析，其橫向分辨率達(dá)50nm，縱向分辨率達(dá)5nm 。 7 微區(qū)分析 Ehrenfried Zschec;h用聚焦離子束與掃描電鏡組合(FIB-SEM)為透射電鏡(TEM)制樣，成功地分析了集成電路中銅連線的失效問(wèn)題。如圖9所示圖9 FIB 切割所得銅連線的SEM照片PARTFIB 納米制造技術(shù)的應(yīng)用03宏觀的超精密車刀由于刀具的輪廓和尺寸的限制，導(dǎo)致其在加工大深寬比微結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)有部分區(qū)域加工不到，殘留部分將直接影響微光學(xué)器件的衍射效率等光學(xué)性

17、能。刃形復(fù)雜且刃口鋒利的微刀具制備技術(shù)己經(jīng)成為微器件超精密加工的關(guān)鍵。2000年，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開展了利用聚焦離子束銑削技術(shù)，利用高速鋼、硬質(zhì)合金、單晶金剛石等多種刀具材料制備了矩形和鋸齒形等微車刀以及多刃微銑刀的制備研究，如圖10所示。 1 納米刃口微刀具制備圖10 FIB 加工不同刃型微刀具 2 三維微納功能結(jié)構(gòu)制造基于隧道效應(yīng)的加速度計(jì)由于結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，需要加工出一個(gè)具有一定三維取向的亞微米級(jí)縫隙，利用縫隙變化時(shí)隧道電流的變化可得到加速度值。利用聚焦離子束直寫技術(shù)便可實(shí)現(xiàn)這一特殊需求的加工。圖11中用FIB加工出一個(gè)傾斜的縫隙，縫寬為400 nm，傾角度為45。通過(guò)采用較大離子束流粗加工，然后結(jié)合小離子束流精修。圖11 FIB加工加速度計(jì)微縫隙 另外，北京大學(xué)提出了利用FIB轟擊應(yīng)力引入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄膜材料的三維功能結(jié)構(gòu)加工，包括不同手性、不同直徑和不同材料等微納尺度螺旋管結(jié)構(gòu)，成為三維納米結(jié)構(gòu)加工的有力途徑之一。如圖12所示。圖12 FIB轟擊應(yīng)力引入技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維微納螺線管制造透射電鏡(TEM)分析方法是材料研究的重要手段，而TEM樣品為了便于電子能夠穿透樣品進(jìn)行成像，需要制作的非常